La Luce: natura e modelli

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1 La Luce: natura e modelli L. Martina Dipartimento di Fisica dell'universita' e Sezione INFN, Lecce Dove il mondo cessa di essere ribalta per ambizioni e desideri personali, dove noi, come esseri liberi, lo osserviamo meravigliati, per indagarlo e contemplarlo, là entriamo nel dominio dell'arte e della scienza Albert Einstein

2 Perche si vede ciò che si vede Qual è la natura della luce Quali le sue sorgenti Quali le sue leggi Come vediamo

3 Alcune Difficolta' La luce sembra indissolubilmente legata alle sue sorgenti. I fenomeni luminosi rimangono associati al processo di visione.. La luce svolge un ruolo subordinato agli oggetti Solo le sorgenti luminose sembrano essere soggette a moti, non la luce stessa.

4 " I parametri fisici caratteristici sono fuori dai limiti della percezione umana. " Dipendenza sensibile dalle proprietà del mezzo nel quale si propaga la luce. " Associazione delle immagini alle proprietà degli oggetti. " Astrazione del concetto di raggio luminoso " Limiti di applicabilità dell'ottica geometrica " La parola "luce" serve ad indicare sia una sorgente sia la condizione della visibilità.

5 Tre discipline, Quattro componenti OTTICA FISIOLOGIA FISICA Aspetto empirico Idee regolative Fondamenti metafisici Strumenti matematici PSICOLOGIA

6 Schema OLISTICO Un dispositivo ottico trasferisce, crea e deforma l intera immagine l immagine è una entità indivisibile in parti componenti la localizzazione dell immagine è necessariamente una superficie l osservatore è passivo Schema ANALITICO La luce è una entità fisica soggetta a leggi specifiche riguardanti la sua natura e modalità di propagazione l oggetto è suddivisibile in punti, ciascuno dei quali è una sorgente luminosa un dispositivo ottico modifica il flusso di luce proveniente da ogni singolo punto dell oggetto

7 Periodo Classico Euclide (~ 265 A.C.) Ottica e Catottrica Post.1 Il raggio e' una linea retta di cui i mezzi toccano le estremita' Post.2 Tutto cio' che si vede, si vede secondo una direzione rettilinea Leucippo da Mileto (~ 420 A.C.): le Eidola Aristotele ( ): moto attraverso un mezzo, l'etere Erone di Alessandria (I sec. A.C.) : la Riflessione Claudio Tolomeo (II sec. d.c): la Rifrazione Galeno di Pergamo (II sec. d. C.) : l' Occhio Lumen e Lux

8 Periodo Medioevale Alkindi ( ) : Astrazione di Raggio Luminoso A A A C S Alhazen ( ) : Fisiologia dell occhio, Rifrazione, camera oscura, sovrapposizione r.l., eq. immagini specchi piani e sferici min { D} A { } = AC + SC l D θ i θ r C D C F S S G. Keplero, Paralipomena ad Vitellionem (1604) Immagine virtuale B

9 Problema della focalizzazione C C A B C D E F G A B A G B O F C D E A B C D E F G

10 R. Grossatesta ( ), R. Bacone ( ) Witelo ( ) N. Cusano ( ) Teodorico di Friburgo ( ): De iride G.B. Della Porta, Magia Naturalis (1589)

11 sin θ i = n sinθ r Legge di Snell - Cartesio

12 I Fondatori dell Ottica Geometrica G. Galilei ( ): Nuncius Sidereus (1610) J. Kepler ( ): Paralipomena ad Vitellionem (1604), Dioptrice (1611) R. Descartes ( ): La dioptrique, De l arc en ciel (1637), teoria corpuscolare della luce P. De Fermat: Principio del tempo minimo (1650)

13 Il Principio di Fermat del tempo minimo " Tra tutti i possibili cammini possibili per andare da un punto ad un altro fissati, la luce seguirà quello che richiede il tempo più breve. " La velocità della luce nei mezzi otticamente più densi è minore di quella nel vuoto γ 3 B γ t γ { γ } min { } γ min t γ A γ µιν γ 1

14 La Rifrazione Ipotesi: cacqua = c aria n n > 1 A D aria E F θ i C x = CD t EC = piccolo EC c aria t t DF EC = c t DF acqua + O DF = n ( ) 2 x DF c aria acqua θ r EC n DF ( x 0) B xsin ^ EDC = xsin θ i = nxsin ^ DCF = nxsin θ r sin sinθ θ i = r n

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16 Applicazioni " Reciprocità dei cammini " Indice di rifrazione assoluto e relativo: n kj = n ij n ik n ij = n i n j " Miraggio inferiore Miraggio superiore T " Propagazione in mezzi non omogenei T Gradiente di densità realizzato usando soluzioni acqua/zucchero con differenti concentrazioni M. Branca et al., La Fisica nella Scuola, XXXIV n. 1(2001) 24

17 L arcobaleno

18 D = D( b) Interpretazione Cartesiana dell arcobaleno b=parametro d urto ) D = angolo di deflessione

19 Arco primario 42 o 138 o DHbL 180 ( ) D = D b br 0.86

20 Arco secondario 50 o D = D( b) 0.95

21 Dispersione della luce E così la vera causa [ ] non si doveva ad altro che al fatto che la luce non è simile od omogenea, ma consiste di raggi diversi, alcuni dei quali sono più rifrangibili degli altri; cosicché a parità di angolo di incidenza sullo stesso mezzo, alcuni saranno più rifratti di altri [ ]. I. Newton, A new theory about light and colours I. Newton ( ): Optica (1670) Teoria corpuscolare (moderata) della luce

22 I Colori come le Note Cartesio: corpi luminiferi rotanti P. Grimaldi: Pshyco-Mathesis de lumine, coloribus et iride (1665), la Diffrazione Horror Vacui e Etere R. Hooke: Micrographya, i Colori corrispondono alle frequenze di oscillazione dell etere (1667) C. Huygens ( ): principio dei fronti d onda, riflessione e rifrazione

23 Ipotesi ondulatoria della luce Linee nodali Linee di interferenza costruttiva Esperienza di Young (1803) Interferenza di onde meccaniche

24 Diffrazione A.J. Fresnel ( ) F. Fraunhofer

25 sinθ = m λ a

26 G.B. Airy ( ) Archi sovrannumerari e altro

27 Onde Luminose e Onde di Materia

28 Misura della velocità della luce Metodo di Foucault - Michelson relazione dei punti coniugati Sp. fisso b Lente conv. f 1 a + f + 1 b = 1 f Sorgente Sp. semitr. a Sp. rotante c s t = s = 2( b + f ) β Vetrino grad. α α = ω t oo ' = 2αa c 4 = ω β = 2α ( b + f ) OO ' a O O ω

29 speed of light in vacuum Value m s -1 Standard uncertainty (exact) Relative standard uncertainty (exact) Concise form m s -1

30 Polarizzazione E. L. Malus (1808), D. Brewster (1815) Ipotetiche Proprietà dell Etere: solido rigido, denso ma imponderabile, senza capacità di offrire attrito significativo ai corpi celesti

31 Maxwell e le Onde t E j B rot div B t B E rot div E + = = = = r r r r r r r ε µ µ ε ρ = t f c f Onde Hertziane (1887)

32 Michelson e Morley: cercando il vento di Etere (1881) V Risultao: Nessun vento di etere osservato!

33 Einstein I (1905) La velocità della luce è indipendente dal moto della sorgente o del ricevitore Le leggi della Fisica sono le stesse in tutti sistemi di riferimento x = t = y Trasformazioni di Lorentz ( V c ) t V x Vt c 2 x 1 2 ( ) V c 2 y, V y = y, z = z z x O O z x

34 Spettro di Corpo Nero Previsione della termodinamica classica E = hν Ipotesi di Planck dei Quanti Ipotesi di Plank (1900): per ogni data frequenza, il sistema materiale può scambiare con la radiazione multipli interi di un quanto fondamentale E = hν

35 Einstein II (1905) Effetto Fotoelettrico (Hertz (1887), Lenard (1901) FOTONE E = h, p = ν h λ E 2 p 2 c 2 = m 2 0 c 4 m fotone = 0

36 Spettri di emissione luminosa

37 Effetto Compton (1923) λ λ = h mec ( 1/ cosθ )

38 QED Alcuni successi di QED Fenomeno Misura Calcolo H s1 2 2 p (MHz) Momenti magnetici e µ e + e 3 S (GHz) 1 S 1 0