La luce. Quale modello: raggi, onde, corpuscoli (fotoni)

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1 La luce Quale modello: raggi, onde, corpuscoli (fotoni)

2 Le onde luminose onde elettromagnetiche con frequenza compresa tra e la lunghezza d onda e compresa fra 400nm e 750nm Hz 14 Hz Le onde luminose

3 Propagazione rettilinea (ottica geometrica) Per spiegare alcuni fenomeni la propagazione della luce viene descritta mediante raggi luminosi formazione delle ombre e della penombra eclissi riflessione e rifrazione della luce

4 Ombra e penombra eclissi

5 velocità della luce nel vuoto c =, m/s costante fondamentale della natura Come si può misurare?

6 Metodo astronomico misura eseguita nel 1676, m/s Ole Christensen Roemer astronomo danese

7 Metodo terrestre (esperimento eseguito il 1849 da Armand Fizeau a Parigi) km/s T=nt t=t/n t=d/c c = 4nd/T c = 4 n d f

8 velocità della luce nei materiali materiale aria acqua vetro diamante velocità della luce (m/s), , , , , Indice di rifrazione n = c/v n > 1 Per uno stesso materiale il valore di n dipende dal colore della luce, cioè è funzione della lunghezza d onda

9 Riflessione della luce angolo di incidenza = angolo di riflessione

10 Diffusione della luce Se la superficie è scabra, ciascun raggio riflesso rispetta le leggi della riflessione ma poichè le diverse porzioni di superficie hanno diverse inclinazioni, i raggi riflessi hanno direzioni che variano disordinatamente.

11 Rifrazione della luce passando da un mezzo meno denso ad un mezzo più denso il raggio si piega, avvicinandosi alla normale alla superficie di rifrazione aria vetro sin sin v i 1 sin i n oppure r v sin r n1

12 la rifrazione è diversa per i vari colori della luce: dispersione della luce da un prisma L indice di rifrazione è maggiore per il violetto e minore per il rosso, di conseguenza la luce bianca viene separata nei suoi vari colori da un prisma o dalle goccioline di pioggia, formando l arcobaleno

13 Conseguenze della rifrazione: le illusioni del miraggio e della fata morgana miraggio fata morgana miraggio

14 La riflessione totale i l Se il raggio incidente colpisce la superficie di separazione tra i due mezzi con angolo pari all angolo limite, il raggio rifratto e radente alla superficie, cioe l angolo di rifrazione vale 90 Passando da un mezzo più denso ad uno meno denso, il raggio rifratto si allontana dalla normale alla superficie di separazione e, ad un certo punto, scompare sin i l sin 90 n n i l arcsin n n 1 1

15 Applicazioni della riflessione totale: la fibra ottica e il sensore del tergicristalli Il sensore del tergicristalli

16 La luce come onda Principio di Huygens Ciascun punto di un fronte d onda si comporta come una sorgente puntiforme secondaria che ha la stessa frequenza di quella primaria: il fronte d onda (inviluppo) è dato dalla sovrapposizione di tutte le onde sferiche prodotte dalle sorgenti secondarie.

17 Interferenza sull acqua sovrapposizione di onde coerenti, l energia si distribuisce in massimi e minimi alternati linee nodali interferenza distruttiva QS1 QS (m 1) linee antinodali interferenza costruttiva PS 1 PS m N -1 N - A -1 A 1 N A - A A 0 N 1

18 Interferenza di onde radio onde radio coerenti che si sovrappongono nello spazio danno massimi e minimi di interferenza d distanza tra le antenne Q 1 minimo di ordine 1 P 0 massimo centrale Problema d = 7,50 km L = 14km y = 1,88 km? soluzione 1 d 1 L ( y) d ( L y ) ) 1 ( ),0km

19 Interferenza di luce laser prodotta da due fenditure luce laser S 1 ed S sono le fenditure schermo cio che appare sullo schermo: picchi chiari intervallati da zone oscure

20 Misura della lunghezza d onda della luce di un laser He-Ne mediante interferenza valore atteso = 63,8nm (rosso) Si devono misurare: L = distanza tra le fenditure e lo schermo, y = distanza tra due frange colorate vicine, d = distanza tra le fenditure

21 Misura della lunghezza d onda della luce di un laser He-Ne mediante interferenza Reticolo di diffrazione con 300 fenditure a mm Il passo d del reticolo è la distanza tra due fenditure vicine Se invece della doppia fenditura si utilizza un reticolo a molte fenditure avente un passo d la distanza tra le frange luminose aumenta decisamente.

22 Interferenza di luce esperimento di Young (1801) Se un pennello di luce attraversa due fenditure S 1 ed S di piccola larghezza, sullo schermo si ottengono frange chiare (interferenza costruttiva) alternate a frange scure (interferenza distruttiva) d distanza tra le fenditure L distanza tra schermo e fenditure y distanza tra il massimo centrale e il massimo di ordine 1 L sia d che la larghezza di ciascuna fenditura sono dello stesso ordine di grandezza di L >>, d misurando L, d, y si puó ricavare il valore di y d L

23 Esperimento di Young: come si spiega r L r 1 r r1 d sin d sin m Se la differenza di cammino ottico e un multiplo intero di si ha interferenza costruttiva, cioe una frangia luminosa d sin (m 1) Se la differenza di cammino ottico e un multiplo dispari di / si ha interferenza distruttiva, cioe una frangia scura

24 Esperimento di Young: relazione approssimata r L r 1 y distanza tra il massimo centrale e il massimo di ordine 1 L distanza tra le fenditure e lo schermo, angolo evidenziato in rosa nei due triangoli simili, è molto piccolo quindi sen e tg sono praticamente uguali al valore di. d sen m y tg L per m=1 d y L y d L

25 DIFFRAZIONE di luce bianca prodotta da un reticolo di 300 linee/mm si possono misurare le lunghezze d onda delle frange colorate

26 DIFFRAZIONE DA UN RETICOLO laboratorio

27 DIFFRAZIONE prodotta da una fenditura rettangolare oltre l ostacolo l intensitá luminosa si ridistribuisce luce y d L onde d acqua

28 Reticoli di diffrazione se le fenditure sono numerose la figura di diffrazione che si ottiene é composta da tante frange chiare di uguale intensitá ed equamente spaziate La posizione dei massimi si ottiene imponendo che le onde giungano in fase sullo schermo d sen m y anche per i reticoli vale la legge approssimata che abbiamo trovato per due fenditure y d L d costante del reticolo, L distanza tra reticolo e schermo, y distanza tra due frange adiacenti

29 Diffrazione da un reticolo: SPETTROSCOPIO serve per risolvere e misurare le lunghezze d onda delle righe spettrali