E - Campus MFS

IYL 2015 è un’iniziativa globale che
metterà in risalto agli occhi dei
cittadini del mondo l’importanza
della luce e delle tecnologie ottiche
nella loro vita, per il loro futuro, e
per il progresso della società.
Nel 1015 circa Alhazen, Ibn al-Haytham (Bassora 965, il
Cairo 1040) nel suo “Libro dell’Ottica” descrisse il
funzionamento della camera oscura, studiò la struttura
dell’occhio e i meccanismi della visione.
Nel 1815 Fresnel nel suo libro “Premier mémoire sur la
diffraction de la lumiere” sviluppò la teoria ondulatoria
della luce, contro quella corpuscolare di Newton, allora
generalmente accettata.
Nel 1965 Penzias e Wilson osservarono la luce emessa
durante il Big Bang, quasi 14 miliardi di anni fa.
Piero Galeotti, Università di Torino
Anno internazionale della luce
1
Piero Galeotti, Università di Torino
Anno internazionale della luce
2
Il Sole
(1.000.000
di volte più grande
della Terra) è
stato per miliardi
di anni l’unica
sorgente di luce
sulla Terra.
Il fuoco
è una sorgente di
luce per l’umanità
da poche migliaia
di anni.
La lampadina
Piero Galeotti, Università di Torino
Anno internazionale della luce
lo è da poco più di
un secolo.
3
Piero Galeotti,
Università di Torino
Anno internazionale della luce
4
Apollo sul carro del Sole condotto da
Aurora e seguito dalle Ore
Casino dell’Aurora Pallavicini, Roma
Guido Reni, 1614
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Prometeo incatenato
Nicolas-Sébastien Adam (1762)
(Parigi, Louvre)
Piero Galeotti, Università di Torino
Anno internazionale della luce
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Lampione a gas a Bilbao
Piero Galeotti, Università di Torino
L’illuminazione a gas (uso del
fuoco) delle grandi città
europee e americane iniziò nei
primi decenni del XIX secolo (a
Londra nel 1807, a Parigi nel
1820). In molte città italiane si
istallarono lampioni a gas a
partire dagli anni 1830. Nel
1935 Cavour si recò a Parigi e a
Londra per vedere le officine
del gas e rendersi conto di
persona dei nuovi metodi di
illuminazione stradale.
Nell’anno dell’unità di Italia
(1861) tutte le principali città
italiane avevano l’illuminazione
stradale a gas.
Anno internazionale della luce
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La lampadina elettricael venne brevettata nel
1875 da Henry Woodward.
Thomas Alva Edison (1847, 1931) nel 1878 riuscì
a costruire una lampada a filamento di cotone
carbonizzato incandescente di durata
abbastanza lunga e, l’anno successivo, venne
realizzata l’illuminazione di Menlo Park (USA).
Alessandro Cruto (Piossasco 1847, Torino 1908)
costruisce lamine di carbonio (1876) e poi
filamenti di carbonio incandescenti (1882).
Piero Galeotti, Università di Torino
Anno internazionale della luce
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La prima lampadina funzionante per lungo tempo
venne accesa il 4 Marzo 1880 da Cruto, 5 mesi dopo
Edison. Questa lampadina aveva una durata di circa
500 ore, contro le 40 ore delle lampadine prodotte
da Edison.
Nel 1883 le lampadine di Cruto vengono usate per
l’illuminazione pubblica del comune di Piossasco, un
anno prima dell’illuminazione con lampade elettriche
di Place de la Concorde a Parigi.
Ad Alpignano, nel 1885-86, venne costruito uno dei
primi stabilimenti per la produzione di lampadine.
Aveva 26 dipendenti, pagati 1 lira al giorno, e la
produzione giornaliera era di 1000 lampadine
Piero Galeotti, Università di Torino
Anno internazionale della luce
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Ippocrate e Aristotele pensavano che l'occhio
emettesse raggi per mezzo dei quali potesse “sentire”
gli oggetti
Secondo Galeno (II secolo d.c.), l'occhio proietta uno
“spirito visuale” per mezzo del quale il mondo esterno
viene percepito
Keplero e Cartesio agli inizi del ‘600 svilupparono la
conoscenza della rifrazione della luce
Newton (1704) sviluppò una teoria corpuscolare della
radiazione, considerando cioè la luce come formata di
particelle
Nello stesso periodo Huygens compì una serie di
esperimenti che dimostrarono che la luce ha
caratteristiche di onda (diffrazione e interferenza)
Piero Galeotti, Università di Torino
Anno internazionale della luce
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La luce deve avere
natura ondulatoria
Piero Galeotti,
Università di Torino
Anno internazionale della luce
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La luce deve avere
natura corpuscolare
Piero Galeotti,
Università di Torino
Anno internazionale della luce
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Le particelle hanno le stesse proprietà
delle onde (in particolare interferenza
e diffrazione) e duplice natura di onda
e di corpuscolo (De Broglie, 1924).
Sono rivelabili in un punto come corpi
materiali, ma la probabilità di rivelarli
ha la natura di un’onda.
Piero Galeotti
Fisica Sperimentale A, A.A. 2006-07
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14
Esempio: una barca si muova alla velocità
costante v = 5 m/s e percorre un fiume in
direzione della corrente (nei 2 versi) o in
direzione perpendicolare alla corrente.
Si ha:
v = 5 − 3= 2 m s nel verso contro corrente
v = 5 + 3 = 8 m s nel verso della corrente
v = 5 2 − 32 = 4 m s perpendicolare alla corrente
I tempi di percorrenza (A/R) sono:
⎛ 100 100 ⎞
l
tratto verde: t = v = ⎜
+
= 62, 5 s
⎟
⎝ 2
8 ⎠
l = 100m
v = 3 m/s
200
l
tratto rosso: t = v =
= 50 s
4
Esperimento di Michelson-Morley
La differenza di cammino ottico
2d2 – 2d1 produce frange di
interferenza tra la luce riflessa dai
due specchi M1 e M2.
Se d2 = d1 le due onde riflesse
giungono in fase all'osservatore.
La Terra ruota su se stessa (v ~ 0,4
km/s), si muove intorno al Sole (v
~ 30 km/s) e il Sole ruota intorno
al centro della Galassia (v ~ 240
km/s). I risultati mostrano che la
velocità della luce rimane costante
lungo ogni direzione.
Piero Galeotti
Anno internazionale della luce
corrente
di etere
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Si usano tecniche diverse per produrre o rivelare onde
elettromagnetiche a differenti lunghezze d’onda.
Piero Galeotti
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Costellazione di Orione
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Osservazioni a diverse lunghezze d’onda
rivelano dettagli invisibili in ottico
Piero Galeotti, Università di Torino
Anno internazionale della luce
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Nel 1900 Planck propose che la radiazione fosse
quantizzata, ossia composta di quanti di energia
multipli di un valore minimo ε0 (E = nhν, con n = 1, 2,
3...). La legge proposta da Planck sulla distribuzione
energetica della radiazione è data dalla relazione:
Le leggi di Wien
(λmaxT = costante)
e di Stefan
(u = σT4)
sono casi
particolari della
legge di Planck.
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Sensibilità
dell'occhio umano
Piero Galeotti, Università di Torino
Anno internazionale della luce
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Sorgenti astronomiche
con spettro termico
a) Nube fredda
galattica in Ofiuco
b) Stella in
formazione in
Orione
c) Fotosfera solare
d) Ammasso di stelle
brillanti nel
Centauro
La luce bianca che attraversa
un prisma viene decomposta
nei colori che la compongono
Piero Galeotti,
Università di Torino
Anno internazionale della luce
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L’alba vista dalla stazione spaziale internazionale
Piero Galeotti,
Università di Torino
Anno internazionale della luce
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Piero Galeotti,
Università di Torino
Anno internazionale della luce
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Piero Galeotti, Università di Torino
Anno internazionale della luce
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Righe di
emissione e di
assorbimento
hanno lunghezze
d’onda
caratteristiche
del gas che
emette o
assorbe la
radiazione.
Piero Galeotti
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Piero Galeotti
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Righe di assorbimento e di emissione
nell’atmosfera di una stella
Piero Galeotti,
Università di Torino
Anno internazionale della luce
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Nel 1812 Fraunhofer cataloga in dettaglio le
righe oscure che attraversano lo spettro
solare
Piero Galeotti
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Righe di emissione di alcuni elementi chimici
Piero Galeotti
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Piero Galeotti, Università di Torino
Anno internazionale della luce
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Abbondanze
universali
degli
elementi
Piero Galeotti
Università di Torino
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Nel XIX secolo, prima ancora della nascita della fisica
atomica, si sviluppò una nuova tecnica di analisi della luce: la
spettroscopia, che consiste nello studio delle righe di
assorbimento o di emissione della luce rifratta da un prisma.
Vennero così scoperte le principali righe di assorbimento
dell'atmosfera solare (le righe di Fraunhofer) e nel 1885
Balmer osservò che le lunghezze d’onda dello spettro
dell’idrogeno sono legate tra loro dalla semplice relazione.
λcalc(nm) λoss(nm)
Riga
n
Hα
3
656.21
656.21
Hβ
4
486.08
486.07
Hγ
5
434.00
434.01
Hδ
6
410.13
410.12
1
1⎞
⎛ 1
= R ⎜ 2 − 2 ⎟ con n = 3, 4, 5...
⎝2
λ
n ⎠
dove R é la costante di Rydberg
(R-1 = 91,176 nm)
Solo 30 anni dopo Niels Bohr
elaborò un modello dell’atomo
di idrogeno per interpretare
la formula di Balmer.
34
La struttura dell’atomo e la scoperta del
nucleo è stata ottenuta da Rutherford
in un classico esperimento del 1911.
Piero Galeotti
35
• Modelli atomici:
di Thompson…..
Mezzo
atomico
(positivo)
e di Rutherford (Bohr)
Elettroni
(negativi)
Nucleo
atomico
Sacco pieno di piume:
mpiuma< mproiettile
 no retrodiffusione
Sacco pieno di mattoni:
mmattone> mproiettile
Piero Galeotti
 retrodiffusione
36
Piero Galeotti,
Università di Torino
Anno internazionale della luce
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L'esperimento di Rutherford,
realizzato da Geiger e Marsden,
portò alla scoperta dei nuclei.
Rn
Dalla legge di conservazione
dell'energia si puo calcolare
la minima distanza a cui
arriva una particella α da un
nucleo di Au (1 fm=10-15 m)
1 qα qAu
ECin =
= 5, 3MeV
4πε d
2 ⋅ 79 ⋅ (1, 6 ⋅10 −19 )2
d=
=
−12
4π (8.8 ⋅10 ) ⋅ 5, 3
= 4, 3 ⋅10 −14 m = 43fm
Piero Galeotti
Anno internazionale della luce
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Nel 1913 Bohr propose un modello atomico per
l’idrogeno, basato sulle ipotesi che:
• l’elettrone si muove intorno al protone in orbite
circolari,
• solo alcune orbite sono permesse (per le quali
l'elettrone non emette energia),
• l’energia viene emessa (o assorbita) quando un
elettrone passa da un’orbita a un’altra:
E1 – E2 = ΔE = hν,
• le orbite permesse sono quelle per cui il momento
angolare è un multiplo intero di ħ, ossia mevr = nħ.
Piero Galeotti
Fisica Sperimentale A, Fisica atomica, a.a. 2006-07
39
dalla relazione di de Broglie (1924)
h
h
λn =
=
pn me vn
e dalla quantizzazione del momento angolare
nh
nh
Ln = me vn rn =
= n, da cui me vn =
2π
2π rn
si ottiene:
2π rn
λn = nh
=
, ossia 2π rn = nλn
( 2π rn ) n
h
La circonferenza dell'n-esima orbita deve
contenere esattamente n lunghezze d'onda.
Piero Galeotti
Anno internazionale della luce
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Anche gli elettroni sono sia corpuscoli che onde
e, quindi, devono stare a distanze ben precise
dal nucleo dell’atomo.
Piero Galeotti, Università di Torino
Anno internazionale della luce
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Onde sonore
Piero Galeotti, Università di Torino
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L'atomo di idrogeno
Piero Galeotti
Fisica Sperimentale A, Fisica atomica, a.a. 2006-07
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I fotoni della luce sono assorbiti o emessi
nei salti di elettroni tra i livelli energetici
E=hc/λ
Piero Galeotti,
Università di Torino
E=hc/λ
Anno internazionale della luce
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A differenza degli elettroni liberi, quelli legati negli
atomi possono assorbire o emettere solo ben
determinate frequenze della luce, caratteristiche
della sostanza considerata.
1 q1q2
U=
=
4πε 0 r
1 e2
=−
4πε 0 r
da cui Ur = costante
Piero Galeotti, Università di Torino
Anno internazionale della luce
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hc
E = hν =
λ
Piero Galeotti, Università di Torino
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Le righe spettrali sono allargate per
il principio di indeterminazione
Piero Galeotti
ΔE ⋅ Δt ≥ 
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Effetto Doppler
La frequenza ricevuta da una sorgente in moto aumenta se la
sorgente si avvicina all’osservatore, diminuisce se si allontana
Piero Galeotti
Fisica e l'universo, 2008 Introduzione
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Allargamento delle
righe spettrali per
effetto Doppler
termico
Piero Galeotti
49
Misura della distanza
Terra-Luna con un
segnale laser inviato da
Terra e riflesso da uno
specchio sulla Luna.
Piero Galeotti,
Università di Torino
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Fasi lunari in un periodo sinodico
29 giorni, 12 ore, 44 minuti
Piero Galeotti,
Università di Torino
Anno internazionale della luce
51
Eclissi di luna del
3 marzo 2007
Piero Galeotti, Università di Torino
52
Eclissi solare del 20 Marzo 2015 in Italia
Piero Galeotti
53
Piero Galeotti
54
Piero Galeotti
55
Eclissi di Sole
20 Marzo 2015
Piero Galeotti
56
Moto di rivoluzione della Terra intorno al Sole
Piero Galeotti, Università di Torino
Anno internazionale della luce
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Piero Galeotti, Università di Torino
Anno internazionale della luce
58
Variazione dei punti di alba e tramonto del Sole
nel corso dell’anno
21 giugno
21 marzo
21 dicembre
E
S
N
W
Piero Galeotti,
Università di Torino
Anno internazionale della luce
59
60
Eratostene
terzo secolo a.C.
Piero Galeotti,
Università di Torino
Anno internazionale della luce
61
Piero Galeotti,
Università di Torino
Anno internazionale della luce
62
La catena alimentare
Le piante sono organismi autotrofi (produttori), ossia
organismi che riescono a fabbricare da soli il proprio cibo
e molte di esse sono il cibo per diversi animali.
Gli animali sono organismi eterotrofi (consumatori), ossia
organismi che non sono capaci di produrre il proprio cibo.
● Gli animali erbivori si chiamano così perché si cibano
di vegetali.
● Gli animali carnivori si chiamano così perché si cibano
con la carne di altri animali.
● Gli animali onnivori, come l’uomo, mangiano sia
vegetali sia altri animali.
Piero Galeotti, Università di Torino
Anno internazionale della luce
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Fotosintesi clorofilliana
Grazie all'energia elettromagnetica (la luce) della
radiazione solare tutti i vegetali, attraverso il processo
della fotosintesi, riescono a sintetizzare composti
organici a partire da sostanze inorganiche, quali:
• anidride carbonica CO2
(presente nell’atmosfera)
• acqua H2O
(presente nel terreno)
In sostanza tutta l'energia che alimenta gli esseri
viventi non è altro che l'energia proveniente dal Sole che
gli organismi vegetali fissano sotto forma di energia
chimica nei glucidi (zuccheri).
Piero Galeotti, Università di Torino
Anno internazionale della luce
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Acqua + Anidride carbonica + luce = Glucosio + Ossigeno
6 H2O + 6 CO2 + energia = C6H12O6 + 6 O2
Se un pianeta extrasolare si pone tra noi e la sua stella, la luce
di quest’ultima viene assorbita in corrispondenza delle righe
degli elementi chimici che costituiscono l’atmosfera del pianeta
Piero Galeotti, Università di Torino Anno internazionale della luce
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Due cose riempiono il
mio animo di
ammirazione sempre
nuova e crescente:
la volta stellata sopra
di me e la legge
morale dentro di me.
Iscrizione sulla lapide di Immanuel Kant
Könisberg (Kaliningrad)
Critica della Ragion Pratica
Piero Galeotti,
Università di Torino
Anno internazionale della luce