Fenomeni che evidenziano il comportamento ondulatorio della luce: interferenza e diffrazione

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1 Fenomeni che evidenziano il comportamento ondulatorio della luce: interferenza e diffrazione L'identificazione della luce come fenomeno ondulatorio è dovuta principalmente a Fresnel e Huyghens ed è basata sul fenomeno dell'interferenza, cioè del verificarsi, sotto certe condizioni,della comparsa di regioni luminose e oscure, là dove l'ottica geometrica predirebbe semplicemente le une o le altre. L'ipotesi della natura ondulatoria della luce rende possibile l'interpretazione di tale fenomeno, basata appunto sull'osservazione che l'intensità luminosa relativa alla sovrapposizione per esempio di due segnali luminosi si rafforza o si indebolisce a seconda della loro relazione di fase. L'idea che la luce è un'onda elettromagnetica è dovuta a Maxwell ed è basata essenzialmente su tre fatti: il fenomeno della polarizzazione, che evidenzia il carattere trasversale dell'onda, la possibilità che la luce si propaghi nel vuoto e l'uguaglianza tra il valore sperimentale della velocità di propagazione della luce nel vuoto e la velocità di propagazione c delle onde elettromagnetiche, determinata da esperimenti puramente elettromagnetici. Una volta assodato che la luce è un'onda elettromagnetica, diventa possibile mostrare che la teoria delle onde elettromagnetiche si applica alla luce visibile la cui lunghezza d'onda varia approssimativamente tra 400 e 700 nm.

2 Come è ben noto, le difficoltà di spiegare l'interazione della luce con la materia e il processo di emissione della luce da parte della materia stessa, hanno portato i Fisici della prima metà del XX secolo a generalizzare la teoria classica dei fenomeni elettromagnetici nell'elettrodinamica quantistica, in cui la luce possiede sia la natura di particella sia quella di onda, anche se non è possibile evidenziare completamente questi due aspetti contemporaneamente. Quando due o più fasci di radiazione si sovrappongono, la distribuzione di intensità, nella maggioranza dei casi, non è la somma delle intensità dei singoli fasci. Questo fenomeno viene detto interferenza. Quando si pone un ostacolo tra una sorgente puntiforme di radiazione ed uno schermo di osservazione, l'ombra sullo schermo non presenta contorni netti tra chiaro e scuro, ma comprende un intricato disegno di regioni chiare e scure. Questo fenomeno è noto come diffrazione e si verifica ogni qualvolta una parte del fronte d'onda viene intercettata da oggetti materiali siano essi opachi o trasparenti alla radiazione incidente.

3 Possiamo enunciare il principio di Huygens-Fresnel in questo modo: Quando sul percorso di un fronte sferico di luce, propagantesi da una sorgente puntiforme, si frapponga un diaframma assorbente provvisto di fori, questi divengono a loro volta centri di onde sferiche elementari (secondarie) il cui inviluppo rappresenta la superficie d onda al di là del diaframma, in modo tale che il campo in ogni punto si ottiene componendo i campi elettrici delle singole onde sferiche secondarie.

4 INTERFERENZA

5 Intensità risultante quando ω 1 = ω 2 = ω dt=dαt/2π (X.46)

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8 Sfasamento Δ e cammino ottico

9 Esperimento di Young

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15 DIFFRAZIONE

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17 DIFFRAZIONE ALLA FRAUNHOFER

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19 La formula consente di calcolare l intensità di radiazione emessa dall elemento di superficie ds 0 in funzione di θ ed evidenzia una differenza di fase =π/2 tra la radiazione emessa dalla sorgente interna e quella che raggiunge ds 0

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24 Diffrazione di Fraunhofer da un foro circolare

25 Una lente, nel focalizzare un immagine, consente il passaggio solo alla luce che incide entro il perimetro circolare. Da questo punto di vista la lente si comporta come una apertura circolare in uno schermo opaco. Una tale apertura produce quindi figure di diffrazione, Gli effetti di diffrazione costituiscono spesso un limite per stumenti ottici (telescopi..) nella capacità di rendere immagini nitide. La figura mostra l immagine di una sorgente lontana puntiforme e distante (stella) formata su una pellicola fotografica posta nel piano focale della lente convergente di un telescopio Il fatto che le immagini della lenti siano figure di diffrazione è importante quando vogliamo distinguere due oggetti puntiformi lontani con piccola separazione angolare (stelle vicine). In figura si evidenzia la scarsa o buona risoluzione tra le immagini. Nella parte centrale (b) la distanza angolare delle due sorgenti à tale che il massimo di diffrazione di una coincide con il primo minimo dell altra

26 Già visto per la figura di interferenza da due fenditure I = 2Ic + 2Ic cos

27 Interferenza e Diffrazione da doppia fenditura

28 RETICOLO DI DIFFRAZIONE

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32 Dispersione angolare, Potere risolutivo e Sensibilità dei Reticoli