Laboratorio di Ottica e Spettroscopia

Documenti analoghi
Laboratorio di Ottica, Spettroscopia, Astrofisica

Laboratorio di Ottica, Spettroscopia, Astrofisica

Laboratorio di Ottica e Spettroscopia

Laboratorio di Ottica e Spettroscopia

Esercizi di Ottica. Università di Cagliari Laurea Triennale in Biologia Corso di Fisica

FAM. 2. A che cosa corrisponde l intersezione delle iperboli con la retta y = 2? Rappresenta graficamente la situazione.

INTERFERENZA - DIFFRAZIONE

I raggi luminosi. Per secoli si sono contrapposti due modelli della luce. il modello ondulatorio (Christiaan Huygens)

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

Laboratorio di Ottica, Spettroscopia, Astrofisica

Ottica (2/2) Interferenza e diffrazione Lezione 18, 4/12/2018, JW

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

Ottica fisica - Diffrazione

Lezione 22 - Ottica geometrica

09/10/15. 1 I raggi luminosi. 1 I raggi luminosi. L ottica geometrica

ESPERIMENTO 6: OTTICA GEOMETRICA E DIFFRAZIONE

Capitolo 15. L interferenza e la natura ondulatoria della luce. Copyright 2009 Zanichelli editore

Un percorso di ottica parte III. Ottica ondulatoria

OTTICA ONDE INTERFERENZA DIFFRAZIONE RIFRAZIONE LENTI E OCCHIO

Ottica fisica - Interferenza

Ottica geometrica. Propagazione per raggi luminosi (pennello di luce molto sottile)

Quando lungo il percorso della luce vi sono fenditure ed ostacoli con dimensioni dello stesso ordine di grandezza della lunghezza d'onda incidente

Progetto Lauree Scientifiche Laboratorio di Ottica, Spettroscopia, Astrofisica

Principio di Huygens principio di Huygens

LA LUCE. Perché vediamo gli oggetti Che cos è la luce La propagazione della luce La riflessione La rifrazione

Fisica II - CdL Chimica. Formazione immagini Superfici rifrangenti Lenti sottili Strumenti ottici

Fisica II - CdL Chimica. Formazione immagini Superfici rifrangenti Lenti sottili Strumenti ottici

Laboratorio PLS di astrofisica_ Modulo 1 Attività teoriche e sperimentali preliminari svolte presso le singole scuole

Esperimento di Ottica

MISURA DI LUNGHEZZE D ONDA CON UNO SPETTROSCOPIO A RETICOLO DI DIFFRAZIONE

sia fa(a la luce, e la luce fu. Genesi, 1,3

Fisica II - CdL Chimica. Interferenza Coerenza Diffrazione Polarizzazione

Diffrazione. configurazione che fornisce uno sfasamento di nel passaggio. dal bordo della fenditura al centro. = λ per il primo minimo.

Ottica fisiologica, ovvero perché funzionano i Google Glass (parte 2)

Principio di Huygens

Laboratorio di Ottica, Spettroscopia, Astrofisica

Università degli Studi di Milano. Dipartimento di Fisica Corso di laurea triennale in FISICA. Anno accademico 2013/14. Figure utili da libri di testo

Corso di Onde e Oscillazioni (Calo Pagani) Esercizi e temi d esame sull ottica ondulatoria

nasce la spettroscopia come tecnica di analisi chimica

ESPERIMENTO DI YOUNG DOPPIA FENDITURA

OTTICA. Piano Lauree Scientifiche 1 febbraio 2013

Ottica (1/2) Ottica geometrica Lezione 17, 3/12/2018, JW ,

SPETTROSCOPIO A RETICOLO

d >> λ rettilinea raggio luminoso riflessione rifrazione

Lezione 12. Sistemi di Lenti. TRE Università degli Studi ROMA. Laboratorio di Calcolo per l Ottica 1/9

Spettro delle onde elettromagnetiche. Ottica: luce visibile leggi della riflessione e rifrazione

ONDE ELETTROMAGNETICE OTTICA LEZIONE 33

L'interferenza. Lezioni d'autore

Ottica fisica. Marcello Borromeo corso di Fisica per Farmacia - Anno Accademico

I Esonero di Elementi di Ottica del 13/06/2011

INTERFERENZA E DIFFRAZIONE

Principio di Huygens

I esonero di Ottica Geometria a.a compito A

FISICA - PROGRAMMAZIONE 4 ANNO SCIENZE UMANE

OTTICA & TELESCOPI Junior2 & Senior

Cosa si intende per onda?

Ottica Geometrica. (λà 0 trascuriamo i fenomeni di diffrazione )

Unità didattica 9. Nona unità didattica (Fisica) 1. Corso integrato di Matematica e Fisica per il Corso di Farmacia

specchio concavo Immagine diffusa da una sorgente S

Università degli Studi di Milano. Dipartimento di Fisica Corso di laurea triennale in FISICA. Anno accademico 2013/14. Figure utili da libri di testo

INDICE OSCILLAZIONI CAPITOLO 1

LENTI SOTTILI. Le lenti sottili sono gli strumenti ottici più importanti tra quelli più semplici.

Corso di Laurea in Scienza dei Materiali Laboratorio di Fisica II ESPERIENZA OTT2. Ottica fisica: diffrazione e dipendenza di n dalla frequenza

ΔΦ = 0, 2π, Interferenza totalmente costruttiva: totalmente distruttiva: ΔΦ = π, 3π,

Animazioni e Simulazioni in rete su: Interferenza e Diffrazione della luce tramite l esperimento di Young

La diffrazione. Prof. F. Soramel Fisica Generale II - A.A. 2004/05 1

L USO DEL MICROSCOPIO OTTICO

Ottica fisica. Marcello Borromeo corso di Fisica per Farmacia - Anno Accademico

Prerequisiti Lezione 1. Ripasso

DIFFRAZIONE ED INTERFERENZA

Lo Spettro Elettromagnetico

Corso di Laurea in Scienza dei Materiali Laboratorio di Fisica II ESPERIENZA OTT2. Ottica fisica: diffrazione e dipendenza di n dalla frequenza

Riassunto lezione 14

Lucegrafo. IV a Esperienza del Laboratorio di Fisica Generale II. Teoria. Principio di Huygens

5 Fondamenti di Ottica

NATURA DELLA LUCE. 1/4 - NATURA DELLA LUCE - C. Calì - DIEET-UNIPA (2007-rev_10/11) Pubblicato in

1. l induzione magnetica B in modulo, direzione e verso nel piano ortogonale al filo nel suo punto medio, a distanza r dal filo;

4.4 Reticoli Capitolo 4 Ottica

ONDE ELETTROMAGNETICE NATURA DELLA LUCE LEZIONE 29

6) Si considerino due polarizzatori ideali (il primo orientato in direzione verticale e il secondo in

Relazione del laboratorio di ottica a.a Ottica geometrica e ottica Fisica

RIFLESSIONE TOTALE, DIOTTRO

Profili di trasmissione dei filtri interferenziali del telescopio PSPT

1 p. 1 q 1 R. altrimenti se il mezzo circostante ha un indice di rifrazione n 0. , al posto di n si deve usare

La diffrazione della luce CNR-INOA

Trasmissione di calore per radiazione

Corso di Laurea in Astronomia. Laurea Triennale DISPENSE DI ESPERIMENTAZIONI DI FISICA 2

FAM. 2. Calcola l intensità media Ī nel caso di un onda piana (longitudinale) e nel caso di un onda sferica ad una distanza di 100m dalla sorgente.

CLT di TECNICHE DI LABORATORIO BIOMEDICO. C.I. di Fisiologia Umana Modulo di Fisica Strumentale

Lezione 25. Corso di Fisica 2 per Matematici

La fisica delle oscillazioni

Diffrazione della luce

Fisica Generale B. 3. Esercizi di Ottica. Esercizio 1. Esercizio 1 (III) Esercizio 1 (II) ! 1. = v = c 2.

Microscopia (specchi, lenti, ecc.) Principio generale per cui si creano le immagini nel nostro occhio:

suono alcuni suoni balenottera capodoglio delfino orca nave passeggeri megattera terremoto

Intensità figura di diffrazione da una fenditura

specchio concavo Immagine diffusa da una sorgente S

Unità 17. Le onde luminose

OTTICA GEOMETRICA. Ovvero la retta perpendicolare alla superficie riflettente. Figura 1. Figura 2

GIOCARE CON LA LUCE. Tutor: Francesca Bonfigli, Daniele Murra

Transcript:

Laboratorio di Ottica e Spettroscopia Quinta lezione Occhio agli spettri! (Laboratorio III) Antonio Maggio Istituto Nazionale di Astrofisica Osservatorio Astronomico di Palermo

Prima parte Sommario 5 a lezione Rivisitazione dei principi di ottica geometrica introdotti nelle lezioni precedenti (test d uscita) Strumenti ottici (macchine fotografiche, telescopi) Rivisitazione dei principi di ottica ondulatoria Discussione dei risultati del Laboratorio II (spaziatura dei solchi di un CD-ROM o un DVD) Proseguimento del Laboratorio II (misura dello spessore di un capello) Seconda parte Come funziona uno spettroscopio e a che serve Laboratorio III: analisi spettroscopica qualitativa della luce proveniente da sorgenti diverse Progetto Lauree Scientifiche - Laboratorio di Ottica e Spettroscopia

Primi concetti La scienza si basa su esperimenti, osservazioni, misure di quantità fisiche e modelli Una stessa entità fisica, come la radiazione, può essere descritta con diversi modelli I diversi modelli possono essere utilizzati (o sono necessari) per spiegare fenomeni diversi E importante distinguere tra modelli descrittivi, come il modello a raggi, e modelli fisici, come le onde o i fotoni

Modello a onde (Huygens) La luce si propaga come un onda: solo con questo tipo di modello è possibile spiegare i fenomeni di interferenza e diffrazione della luce, analoghi a quelli che si verificano per le onde acustiche e meccaniche Qual è allora il significato dei raggi di luce (ottica geometrica) nel modello a onde?

Cos è la radiazione La radiazione (luce) è il mezzo più veloce scelto dalla natura per trasportare energia attraverso lo spazio Vale il principio di conservazione dell energia: l energia trasportata dalla radiazione si può diffondere nello spazio, può cambiare forma, ma non può essere distrutta L ottica ondulatoria è la teoria che spiega il comportamento della radiazione assumendo che questa sia composta da onde. L ottica geometrica è una semplificazione dell ottica ondulatoria in quanto spiega alcuni fenomeni considerando semplicemente due caratteristiche delle onde, la direzione e la velocità di propagazione (modello a raggi)

Modelli diversi per fenomeni diversi L energia può essere trasportata tramite onde (in un liquido, lungo una corda oscillante) oppure a pacchetti, tramite particelle (come fa un qualsiasi proiettile) Per descrivere il funzionamento di sistemi ottici fatti con lenti e specchi e i fenomeni di propagazione della luce in diversi materiali è sufficiente una descrizione molto semplice, il modello a raggi (Ottica geometrica) Per spiegare altri fenomeni (ad es. quello dell interferenza) è utile un modello a onde (Ottica ondulatoria) Per spiegare i fenomeni di emissione e assorbimento della radiazione occorre un modello a fotoni (Ottica quantistica) Progetto Lauree Scientifiche - Laboratorio di Ottica, Spettroscopia, Astrofisica

Propagazione della luce attraverso una lente (ottica geometrica) Equazione delle lenti sottili: 1/d o + 1/d i = 1/f Ingrandimento: h i = m h o con m = - d i / d o (d o e d i distanze oggetto e immagine dalla lente, f lunghezza focale, m ingrandimento, h o dimensione dell oggetto, h i dimensione dell immagine) Derivazione geometrica per esercizio

Un applicazione Obiettivi di macchine fotografiche Caratterizzati da lunghezza focale, f, e apertura F = f / D, dove D è il diametro del foro da cui entra la luce. Esempio: obiettivo 28 mm F/8 significa D = 28/8 mm La sequenza dei numeri F indicati convenzionalmente sugli obiettivi fotografici è 2.8, 4, 5.6, 8, 11, 16 (la quantità di luce raccolta raddoppia a ogni passo poichè l area è proporzionale a D 2 e quindi a F -2

Un applicazione Esercizio In una macchina fotografica classica (non digitale) ogni fotogramma della pellicola (rivelatore) ha dimensioni 24x36 mm 2. Quale può essere la dimensione massima di un oggetto posto a 20 m di distanza per essere fotografato per intero con un obiettivo da 28 mm di lunghezza focale? Come cambia questa dimensione se usiamo un obiettivo da 50 mm di focale? Di quanto si deve spostare la lente per mettere a fuoco un oggetto posto a 3 m invece che a 20 m di distanza?

Macchine fotografiche digitali Obiettivi con Lunghezza focale molto più piccola (5 10 mm) Come cambia la dimensione dell immagine rispetto al caso di una macchina fotografica classica? Come cambia la quantità di luce raccolta dall obiettivo? Esercizio Calcolare la dimensione del rivelatore (CCD) provando a fotografare un oggetto di dimensioni note a distanza nota Conoscendo il numero di pixel nell immagine, calcolare la distanza minima tra due oggetti tale che essi siano visualizzati in 2 pixel adiacenti (risoluzione spaziale)

Esperienza con due lenti Sorgente (oggetto) a d o < f da una prima lente convessa, seguita da una seconda lente convessa e infine lo schermo In quali condizioni si forma un immagine reale sullo schermo? In quali condizioni l immagine è visibile con l occhio?

Esperienze al banco ottico Costruzione di un telescopio con due lenti di focale diversa (l immagine prodotta da una lente diventa l oggetto per quella successiva; ciò è vero qualunque sia la combinazione di lenti, poiché da un punto di vista fisico le lenti sono elementi rifrangenti della radiazione, la quale viene comunque trasmessa da una parte all altra) Previsione: se l immagine formata dalla prima lente viene messa nella posizione del fuoco della seconda lente o più vicina (d f), cosa ci aspettiamo? (La seconda funziona come una lente d ingrandimento, usata in modo classico, si forma un immagine virtuale ingrandita, visibile solo con i nostri occhi) Se invece la seconda lente è posta a distanza d > f dall immagine formata dalla prima? (Si forma un immagine reale a una distanza calcolabile con la legge delle lenti sottili) Progetto Lauree Scientifiche - Laboratorio di Ottica, Spettroscopia, Astrofisica 2007

Il telescopio rifrattore Kepleriano Obiettivo e oculare sono lenti convergenti (f > 0) Le due lenti sono poste a distanza f 1 + f 2, quindi il fronte d onda in uscita dall oculare è Se f obiettivo > f oculare si ottiene un ingrandimento pari al loro rapporto

Sequenza degli esperimenti e dei concetti 6. Un sistema di lenti può convertire una immagine virtuale in una reale o viceversa. Le dimensioni dell immagine dipendono dal sistema. Un sistema ottico modifica il fronte d onda della radiazione tramite effetti di rifrazione multipli

Sequenza degli esperimenti e dei concetti Esperienze 7. Con due lenti (oculare e obiettivo) convesse di focale diversa si può costruire un telescopio rifrattore (kepleriano) Interpretazione fisica e metodi d analisi Se la 2 a lente è posta a distanza f 1 +f 2 dalla 1 a lente, l immagine prodotta è virtuale (non proiettabile, ma visibile con l occhio). In altre parole, se l immagine formata dalla 1 a lente (obiettivo) viene posta sul fuoco della 2 lente (oculare), si formerà un fronte d onda piano (raggi paralleli) che può essere focalizzato solo tramite il nostro occhio (terza lente) così formando un immagine reale sulla retina. La dimensione dell immagine dipende dal rapporto f 1 /f 2. L ingrandimento angolare che si ottiene è pari infatti al rapporto delle lunghezze focali delle due lenti: m = f 1 /f 2 Se invece la 2 a lente è posta a distanza maggiore (> f 1 +f 2 ), essa produrà una seconda immagine reale (proiettabile sullo schermo)

Dimensione sul piano focale Supponiamo di osservare un oggetto a distanza molto grande con una lente caratterizzata dai seguenti parametri: D = diametro f = lunghezza focale = dimensione angolare dell oggetto f = dimensione lineare dell immagine sul piano focale (con buona approssimazione, se «1 in radianti) V = asse ottico F = fuoco, sorgente in asse Q = fuoco, sorgente fuori asse Piano focale: piano perpendicolare all asse ottico, passante per F

Esempio con la Luna Ogni punto della superficie lunare è una sorgente all infinito, distante 0 dal centro. Ricordando che 1 radiante = 180 / 57.3 = 206264.8" La Luna è un oggetto di dimensione angolare 2 = 32/60 /180 = 0.0093 radianti che creerà un immagine di dimensioni h = 2 f sul piano focale della lente. Ad es., se f = 700 mm, h = 6.5 mm

La scala del telescopio Il parametro s = 206264.8/f (scala angolare) (secondi d arco per mm) indica l estensione angolare di un oggetto la cui immagine sul piano focale è di 1 mm Per ottenere la scala spaziale dello strumento il parametro s va confrontato con le dimensioni dell elemento di immagine del rivelatore posto sul piano focale (dimensioni dei pixel di un sensore CCD, tipico delle macchine fotografiche digitali): ad es., se s = 10 /mm e il CCD ha pixel di lato 10 m = 10-2 mm, avremo una scala spaziale di 0.1 per pixel 1

Ottica ondulatoria Gli effetti di rifrazione dipendono dal colore della radiazione: la luce rossa è meno deviata di quella violetta (l indice di rifrazione cresce con la frequenza) Altri effetti dovuti alla natura ondulatoria della luce sono l interferenza e la diffrazione; quest ultima si manifesta solo quando le dimensioni dell ostacolo (ad es. fenditura) sono confrontabili con la lunghezza d onda della radiazione (confrontare le lunghezze d onda meccaniche, ad es. sonore, col quelle della radiazione visibile ai nostri occhi).

Diffrazione: alcune formule Condizione per il primo minimo (frangia scura) in una figura di diffrazione da una fenditura di ampiezza a: a sin θ = λ (θ è l angolo rispetto all orizontale) Se θ (in radianti) è piccolo sin θ θ quindi θ λ / a Ampiezza angolare della frangia centrale generata dalla fenditura: 2 θ 2 λ / a Distanza tra i due minimi d intensità su uno schermo a distanza L dalla fenditura D = 2 L tg θ 2 L θ

Diffrazione da un sistema di fenditure Una serie di numerose fenditure (o solchi) finemente spaziate costituisce un reticolo di diffrazione Ciascuna delle fenditure (o solchi), quando viene illuminato da radiazione monocromatica coerente, diventa a sua volta una sorgente (principio di Huygens); tutti i segnali si sommano (con il segno stabilito dalla fase) quando raggiungono lo schermo (rivelatore) Condizione per l interferenza costruttiva lungo la direzione di dispersione : d sen θ = m λ con m = 0, 1, 2, (ordini spettrali) Conoscendo la lunghezza d onda λ della radiazione del laser, dalla misura degli angoli θ per i quali si verifica interferenza costruttiva è possibile ricavare la separazione d delle fenditure (o dei solchi) Discussione dei risultati del Laboratorio II

Effetto di interferenza+diffrazione Due fenditure di larghezza a e separazione d vengono illuminate da luce monocromatica di lunghezza d onda λ. Le frange su uno schermo lontano sono rappresentate nel grafico a destra. Qual è il valore del rapporto d/a? L ampiezza dell inviluppo centrale di frange, dovuto alla diffrazione, è proporzionale a 2 λ / a, mentre la spaziatura fine tra le frange, dovuta all interferenza, è proporzionale a λ / d Si possono contare dal centro d/a 8 minimi (punti di interferenza distruttiva) prima del termine dell inviluppo centrale.

Realizzazione di uno spettroscopio Previsione: Cosa succede se illuminiamo un reticolo di diffrazione con luce bianca? Suggerimento: riflettere su qual è l asse di dispersione spettrale, cosa succede alla radiazione incidente di diversa lunghezza d onda e cosa succede se la sorgente è estesa Verifica: realizzazione di uno spettroscopio utilizzando un CD-ROM trasparente Interpretazione: ogni componente della radiazione a diversa lunghezza d onda determina interferenza costruttiva in posizioni diverse dell immagine spettrale Domande: Qual è la funzione della fenditura d ingresso? Qual è la separazione angolare tra l immagine centrale della sorgente (ordine m = 0) e il primo ordine spettrale (m = 1)? Osservazioni spettroscopiche: Cosa vediamo se la sorgente è una lampada a incadescenza? Se invece è una lampada a basso consumo o a neon? E se guardassimo il Sole?

Schema di uno spettroscopio Spettroscopio a trasmissione basato su un reticolo di diffrazione a dente di sega (blazed) Vengono realizzati anche spettroscopi a riflessione

Ottica ondulatoria Grazie alla dipendenza dalla lunghezza d onda della diffrazione possiamo ottenere uno spettro della radiazione Sorgenti diverse hanno caratteristiche spettrali distinte che possono essere utilizzare per studiarne la natura

Sequenza degli esperimenti e dei concetti Esperienze 11. Una superficie con numerose scanalature (reticolo ) produce una immagine (spettro ) costituita da un gruppo di frange di diverso colore 12. Sorgenti diverse sono caratterizzati da spettri della radiazione diversi (spettri continui o spettri a righe ) Interpretazione fisica e metodi d analisi Le frange luminose di ciascun colore si formano nelle zone dell immagine spettrale dove si realizza interferenza costruttiva delle onde Un reticolo consente di riconoscere le componenti di diverso colore della radiazione (se questa non è monocromatica) Gli spettri dipendono dalle caratteristiche della sorgente (lampada a incandescenza, neon, Sole) L analisi spettrale può fornire informazioni sulla natura del mezzo emittente (solido o gassoso)