ottica La parte della fisica che si occupa dei fenomeni

La parte della fisica che si occupa
dei fenomeni luminosi
L’ottica è la scienza della luce: studia
principalmente la natura delle radiazioni a
cui sono sensibili i nostri occhi e il
passaggio della luce attraverso i corpi, ma si
interessa anche alla visione, alle sorgenti
luminose, all’illuminazione. Viene di solito
suddivisa in ottica fisica, se si riferisce alle
proprietà fisiche della luce, per esempio
all’energia che essa trasporta, e ottica
geometrica, quando rappresenta la luce sotto
forma di raggi luminosi
ottica
ottica
Ot
moto continuo a velocità elevatissima – ma si propaga
sotto forma di onde elettromagnetiche, di cui possiede
tutte le proprietà. L’energia trasportata dalla luce è
concentrata in pacchetti elementari, che sono appunto i fotoni o quanti di energia. Ciò che caratterizza le
onde elettromagnetiche visibili, cioè le onde luminose, è
L’effetto fotoelettrico
Il fisico tedesco Heinrich
Hertz osservò che colpendo
la superficie di un metallo
con radiazione
elettromagnetica
si liberavano elettroni
quando la lunghezza d’onda
della radiazione incidente
era sufficientemente
piccola. La spiegazione
del fenomeno (chiamato
effetto fotoelettrico) fu data
da Albert Einstein nel 1905:
la radiazione elettromagnetica
è costituita da quanti
di energia, ciascuno dotato
di energia inversamente
proporzionale
alla lunghezza d’onda
e per estrarre un elettrone
dal metallo l’energia
della particella deve
superare un valore di soglia.
Così soltanto alcuni fotoni
– quelli associati
alle lunghezze d’onda
minori – possono liberare
un elettrone dal metallo.
elettrone estratto
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fotone energetico
Un fascio di luce
bianca può essere
scomposto nelle
differenti
componenti
cromatiche: queste
ultime altro non sono
che onde luminose
di differente
lunghezza d’onda
NATURA DELLA LUCE
In passato gli scienziati si sono
divisi a lungo fra due diverse teorie sulla natura della luce. Secondo alcuni la luce era formata da
corpuscoli in moto rapidissimo,
secondo altri si trattava di un’onda, come quelle che costituiscono i suoni. Entrambe le teorie
erano insoddisfacenti perché ciascuna spiegava soltanto alcuni
fenomeni luminosi, mentre era contraddetta da altri.
Una svolta importantissima per capire la natura della
luce si ebbe nell’Ottocento, quando il fisico scozzese James Clerk Maxwell sviluppò la sua teoria generale dell’elettromagnetismo. La luce, secondo questa teoria, è
costituita da onde elettromagnetiche, prodotte da vibrazioni di campi elettrici e magnetici, che si propagano a
distanza trasportando energia.
L’idea dei corpuscoli rientrò però nuovamente in gioco all’inizio del secolo scorso, quando divenne chiaro
che la luce ha effettivamente una natura duplice, cioè
può manifestarsi sia come onde che come particelle
(alla stregua di una moneta che presenta immagini diverse a seconda della faccia che stiamo osservando).
Oggi sappiamo che la luce consiste di particelle chiamate fotoni – prive di massa, ma dotate di energia e in
nucleo
atomo
elettrone
il valore della lunghezza d’onda, che, a seconda del colore della luce, è compreso fra 0,38 ␮m e 0,76 ␮m (il
simbolo ␮m indica i millesimi di millimetro), cioè è
assai più piccolo di quello delle onde usate per le trasmissioni radiofoniche e televisive. Le radiazioni con
lunghezza d’onda inferiore, sia pure di poco, a quella
della luce rossa si chiamano infrarosse; quelle con lunghezza d’onda immediatamente superiore a quella
della luce violetta si chiamano ultraviolette. E naturalmente sono in entrambi i casi invisibili.
VELOCITÀ E PROPAGAZIONE
La velocità con cui la luce si propaga nel vuoto è rigorosamente costante e rappresenta, per quanto ne sappiamo oggi, un limite invalicabile per la velocità di qualsiasi oggetto. La cosa più sorprendente, però, è che non
dipende né dalla velocità della sorgente che l’ha emessa né da quella di chi la osserva. Infatti, se si potesse
Un fotone
sufficientemente
energetico estrae
un elettrone
dal metallo
Ot
L’anno luce
ottica
Sebbene la luce sia
velocissima, tanto
che la sua propagazione
ci appare istantanea, i tempi
che essa impiega a
percorrere le distanze
astronomiche possono
essere grandissimi.
Se la luce del Sole
ci raggiunge in poco più
di 8 minuti, quella emessa
dalla stella più vicina
(Proxima Centauri) impiega
circa 4,2 anni. Per questo
gli astronomi adottano
come unità di distanza
l’anno luce (pari a circa
diecimila miliardi
di chilometri), cioè
la distanza che la luce
percorre in un anno. Notate
che osservare gli oggetti
astronomici più lontani,
situati a miliardi di anni luce
da noi, significa anche
esplorare l’Universo quando
esso era assai più ‘giovane’,
cioè miliardi di anni fa.
viaggiare a cavalcioni di un fotone e se ne incontrasse
un altro che si muove in senso opposto, lo si vedrebbe avvicinarsi sempre alla velocità della luce, e non a
angolo di
incidenza
angolo di
riflessione
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In alto, il fascio
luminoso prodotto
dalla torcia,
incontrando
la superficie
dello specchio,
subisce il fenomeno
della riflessione:
l’angolo di incidenza
è uguale all’angolo
di riflessione. In basso,
un periscopio
giocattolo,
non molto diverso
nei suoi principi base
dal periscopio,
adoperato
sui sommergibili
per osservare l’esterno
senza riemergere:
due specchi,
posizionati di fronte
alle aperture
superiore e inferiore,
sono alla base
del suo funzionamento
specchio
apertura
La luce e la vita
La luce del Sole è essenziale
per la vita, sia per il nostro
nutrimento sia per l’aria
che respiriamo. Le piante
utilizzano infatti l’energia
della luce solare
per trasformare, tramite
la fotosintesi, molecole
semplici – acqua e anidride
carbonica – in molecole
più complesse – carboidrati
– di cui gli animali e l’uomo
si nutrono (i vegetali sono
quindi il primo gradino
della catena alimentare
che è alla base della vita).
Da questo stesso processo,
inoltre, proviene l’ossigeno
contenuto oggi
nell’atmosfera;
nell’atmosfera primitiva
l’ossigeno era assente
ed è stata la sua produzione
da parte delle piante
e dei batteri che vivevano
nell’acqua a permettere
la colonizzazione delle terre
emerse da parte dei viventi.
velocità doppia come si otterrebbe sommando alla velocità di moto della sorgente quella dell’osservatore.
La velocità della luce è stata misurata con straordinaria accuratezza: è di 299.792,458 km/s e costituisce una
costante fondamentale della fisica, sulla quale gli
scienziati hanno scelto di basare l’unità di lunghezza.
Dal 1967, infatti, il metro è definito ufficialmente come la distanza percorsa dalla luce nel vuoto durante
una data frazione (1/299.792.458) di secondo e non
più in riferimento al metro campione fisico (una sbarra realizzata in lega metallica) usato in passato.
È noto che la luce – nel vuoto, nell’aria o in qualsiasi
corpo trasparente omogeneo – si propaga in linea retta. Ma questo non è esattamente vero: un fascio di luce, infatti, man mano che viaggia si allarga gradualmente. Questo effetto non è apprezzabile quando le dimensioni trasversali del fascio sono molto grandi rispetto alla lunghezza d’onda. Ma quando la luce investe uno schermo con un forellino molto piccolo, tale
cioè da restringere fortemente il fascio, da esso fuoriesce luce in tutte le direzioni. In questo caso, infatti, si
manifesta la natura ondulatoria della luce.
OTTICA FISICA: L’ENERGIA DELLA LUCE
luce in
entrata
specchio
specchio
luce in
uscita
La luce, propagandosi, trasporta energia, che cede ai
corpi opachi incontrati sul suo percorso: questi l’assorbono e di conseguenza si riscaldano. Per esempio,
quando la luce solare raggiunge la superficie terrestre,
porta con sé un flusso di energia di circa 1.000 W/m2.
Questa energia, essenziale per la fotosintesi clorofilliana nelle piante, trova anche molti impieghi pratici, dal
riscaldamento degli edifici alla produzione di energia
elettrica tramite particolari dispositivi a semiconduttori (celle fotovoltaiche). E del resto, senza questo costante flusso di energia, la Terra sarebbe inabitabile come i pianeti che si trovano agli estremi confini del Sistema Solare; per esempio, su Plutone, a causa della
sua distanza dal Sole, il flusso di energia solare è 1.500
volte meno intenso che sulla Terra.
Ma perché il flusso di energia diminuisce all’aumentare della distanza dalla sorgente? L’energia totale, man
mano che ci si allontana dalla sorgente, si distribuisce
su una superficie sempre più grande. Se la sorgente, come avviene per il Sole, emette radiazione in modo
uniforme in tutte le direzioni, a una distanza R la superficie sferica su cui l’energia si distribuisce è 4pR2
Ot
raggi incidenti
Differenza
fra una riflessione
speculare
e una riflessione
diffusa provocate,
rispettivamente,
da una superficie
liscia e riflettente,
(in alto) e da una
scabra (in basso)
sul quale si basa il funzionamento
delle lenti e dei prismi è invece
quello della rifrazione della luce. I
riflessione speculare
(superficie lucida)
raggi luminosi, infatti, subiscono
una brusca deviazione quando
passano da un materiale trasparente a un altro (dall’aria all’acqua,
dall’aria al vetro e via dicendo).
Proprio per la rifrazione un oggetto ci appare spezzato quando è imriflessione diffusa
merso parzialmente nell’acqua
(superficie scabra)
contenuta in un bicchiere di vetro.
La deviazione dei raggi luminosi
raggi riflessi
consiste in un avvicinamento dei
raggi dalla retta perpendicolare alcioè la superficie della sfera di la superficie di separazione quando passano da un mezraggio R. E quindi il flusso, cioè zo meno denso a uno più denso, e in un avvicinamento
l’energia per unità di superficie, nel caso opposto. La rifrazione spiega vari fenomeni otsi riduce con legge inversamen- tici, fra cui i miraggi, e trova impiego in molti strumente proporzionale al quadrato ti ottici: occhiali, microscopi, telescopi e simili.
della distanza.
raggi riflessi
ottica
raggi incidenti
I COLORI DELLA LUCE
OTTICA GEOMETRICA
L’ottica geometrica rappresenta
la luce sotto forma di raggi luminosi, che si propagano in linea
retta in modo indipendente l’uno dall’altro, nel senso
che possono toccarsi o incrociarsi senza interagire. In
questo modello si trascurano, così, le proprietà ondulatorie della luce, scelta del tutto ragionevole in molti
casi di interesse pratico e che ha il vantaggio di semplificare notevolmente lo studio di parecchi fenomeni
luminosi, in particolare quelli che riguardano i comuni strumenti ottici.
Il fenomeno luminoso più noto è la riflessione della luce. Un raggio luminoso che colpisce una superficie viene riflesso all’indietro con le stesse modalità con cui
una palla rimbalza contro un muro: la traiettoria del
raggio incidente e di quello riflesso formano angoli
uguali con la retta perpendicolare al punto di incidenza, e con essa si trovano in uno
Caratteristica
stesso piano.
iridescenza causata
Questo fenomeno è sfruttato
dalla dispersione
dagli specchi, in cui vediamo
della luce quando
riflesse le immagini degli ogquesta colpisce la
getti circostanti. Ma se la susuperficie di un CD
perficie non è ben liscia, la riflessione avviene in modo irregolare e si parla allora di diffusione della luce. In questo caso
non si formano immagini, ma
è proprio la luce diffusa dall’oggetto illuminato quella che
ci permette di vederlo.
Il fenomeno della riflessione è
utilizzato nelle fibre ottiche per
trasmettere segnali a distanza,
sotto forma di impulsi di luce:
un raggio di luce che colpisce
l’estremità di una sottile fibra
di vetro, penetra al suo interno,
subisce una serie di riflessioni
sulle pareti della fibra e fuoriesce dall’altra parte. Il fenomeno
Quando un fascio di luce passa attraverso un prisma di
vetro o di plastica, viene deviato a causa della rifrazione. L’entità di questa deviazione cambia leggermente a
seconda della lunghezza d’onda della luce, sicché dal
prisma emergono separatamente i diversi colori, dal
rosso al violetto, che insieme formano la luce bianca. A
ciascun colore corrisponde una diversa lunghezza
d’onda, maggiore per il rosso, più piccola per il violetto. La separazione della luce bianca nei colori che la costituiscono prende il nome di dispersione della luce.
Possiamo osservare questo fenomeno anche esaminando la superficie di un CD colpita dai raggi del Sole:
variando l’inclinazione del disco, vedremo apparire
bande intensamente colorate in cui si scorge tutta la
sequenza dei colori. La dispersione della luce spiega
vari fenomeni ottici, fra cui l’arcobaleno e i colori cangianti delle ali di alcune farfalle, che cambiano a seconda della direzione scelta per osservarle.
raggio
luminoso
mezzo
meno denso
mezzo più denso
rifrazione normale
riflessione totale interna
I COLORI DEI CORPI
Perché i corpi ci appaiono colorati? Tutto dipende dalle proprietà microscopiche dei materiali che li costituiscono, più precisamente da quali lunghezze d’onda
della luce essi assorbono e quali invece diffondono, rimandandole indietro, in modo che raggiungano i nostri occhi. Così un corpo ci appare verde (oppure rosso)
quando diffonde la luce verde (oppure quella rossa) assorbendo invece gli altri colori. E qui vanno menzionati due casi estremi: i corpi bianchi, che diffondono
A sinistra, fenomeno
della rifrazione:
passando da un
mezzo trasparente
meno denso a uno
più denso la luce
tende ad avvicinarsi
alla perpendicolare
alla superficie
di separazione
tra i due mezzi.
A destra, fenomeno
della riflessione totale
che si ha quando
la luce, per certi
particolari angoli
di incidenza, viene
a essere intrappolata
dalla superficie
di separazione
tra i due mezzi
trasparenti: è quello
che accade nelle fibre
ottiche dove la luce
subisce una serie
di riflessioni totali
interne
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ottica
Ot
Il colore di un oggetto
è determinato
dalla parte
dello spettro visibile
che viene diffusa
e non viene assorbita:
la mela rossa assorbe
tutti i colori
tranne il rosso;
la ciotola bianca
non ne assorbe
alcuno diffondendoli
tutti
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(idealmente) tutti i colori
della luce allo stesso modo,
e i corpi neri, che li assorbono tutti (sempre idealmente). Ma ci appare nero anche
un corpo di un colore determinato (per esempio rosso),
quando è illuminato con luce di un altro colore (per
esempio verde).
Un discorso a parte merita il
colore blu del cielo. Innanzitutto, va detto che il cielo appare luminoso grazie all’aria
che diffonde la luce solare in
tutte le direzioni: non a caso,
sulla Luna, che è priva di atmosfera, le ombre sono nettissime e il cielo è buio sicché è possibile vedere le stelle
anche di giorno. Sulla Terra, la luce solare, più precisamente, viene diffusa dalle molecole dei gas che formano
l’aria: queste molecole hanno dimensioni piccolissime
e privilegiano le lunghezze d’onda più piccole così che
nella luce diffusa prevale il colore blu.
LE SORGENTI LUMINOSE
Corpi che emettono e corpi che riflettono luce. Noi possiamo vedere soltanto i corpi che emettono luce essi
stessi (sorgenti luminose) o quelli che riflettono la luce
ricevuta da una sorgente (corpi illuminati). Così, per
esempio, possiamo distinguere il Sole e le stelle, che sono vere sorgenti luminose, dai pianeti e dalla Luna, che
sono invece corpi illuminati e che rimandano indietro
la luce ricevuta dal Sole.
Luce per effetto termico. Molte sorgenti luminose emettono luce per effetto termico, cioè quando si trovano a
temperature sufficientemente elevate (2.500 °C per i
filamenti delle lampadine, 5.500 °C per la superficie
del Sole). Qualsiasi corpo, in effetti, emette radiazioni
elettromagnetiche quando si trova a una temperatura
diversa dallo zero assoluto. Questa radiazione ha due
proprietà importanti: la prima è che l’energia emessa
aumenta assai rapidamente con la temperatura, più
precisamente con la quarta potenza della temperatura
assoluta; la seconda è che la lunghezza d’onda corrispondente al massimo (picco) dell’emissione è inversamente proporzionale alla temperatura del corpo.
Così, la radiazione emessa da un corpo riscaldato diventa visibile soltanto al di sopra di una certa temperatura, in corrispondenza della quale si osserva luce
rossa. Aumentando la temperatura, la luce diventa
sempre più intensa e il picco dell’emissione si sposta
dal rosso verso il violetto, ma il risultato complessivo
(dovuto alla sovrapposizione dei vari colori emessi) è
di una luce via via sempre più bianca. Ed è esattamente quel che accade quando un fabbro scalda a temperature sempre più elevate un pezzo di ferro, inizialmente scuro: dopo un po’ il ferro diventa incandescente passando gradualmente dal rosso (il cosiddetto
ferro al calor rosso) al bianco (ferro al calor bianco).
Altre sorgenti di luce. Ma le sorgenti possono emettere
luce anche grazie a vari altri processi: la luce delle lampade fluorescenti, per esempio, proviene da una scarica elettrica attraverso i gas in esse contenute; la luce
delle lucciole è prodotta da particolari reazioni dette
fotochimiche; la luce dei LED (i diodi emettitori di radiazione visibile usati come indicatori luminosi) viene
emessa grazie al passaggio di una corrente elettrica in
un semiconduttore; la luce dei laser proviene dall’eccitazione e dalla diseccitazione coerente degli elettroni
in determinate sostanze.
L’OCCHIO E LA VISIONE
Gli organi della visione costituiscono un sistema complesso: l’occhio provvede a raccogliere le immagini, e il
nervo ottico trasmette le informazioni (riguardanti l’intensità e il colore della luce nei diversi punti) al cervello,
perché questo le elabori fornendoci la percezione visiva.
Il cervello, infatti, confronta l’immagine con un catalogo di forme conosciute e ci informa su cosa stiamo osservando, anche se a volte può condurre a risultati ingannevoli, come nel caso delle illusioni ottiche.
Le parti essenziali dell’occhio sono una lente (il cristallino) e una superficie sensibile alla luce (la retina).
La lente, di tipo convergente, serve a trasmettere l’immagine sulla retina. Si tratta di una lente variabile:
appositi muscoli possono infatti modificarne la forma in modo da consentire una buona visione di oggetti sia lontani che vicini (questa capacità diminuisce però con l’età). La retina è costituita da cellule
sensibili alla luce, alcune soltanto all’intensità (bastoncelli), altre anche ai colori (coni), da cui si dipartono le fibre nervose che costituiscono il nervo ottico.
Caratteristica importantissima dell’occhio è la grande sensibilità a luci debolissime accompagnata dalla
capacità di sopportare senza danni luci molto forti,
anche cento milioni di volte più intense di quelle minime apprezzabili. A ciò contribuisce la pupilla, cioè il
foro attraverso cui la luce penetra nell’occhio, il cui
diametro si aggiusta automaticamente all’incirca nell’intervallo 2⫼8 mm. Quando la luminosità è debole,
la visione si riduce all’essenziaImmagine
le, cioè vediamo in bianco e neal microscopio
ro anziché a colori. I coni, inelettronico dei coni
fatti, funzionano soltanto quan(in giallo)
do la luce è sufficientemente
e dei bastoncelli,
intensa.
Giovanni Vittorio Pallottino
(in bianco) presenti
nella retina