Per Ottici ed Optometristi

Per Ottici ed Optometristi
(A.A. 2009-10)
Prof. M. De Seta
Introduzione
1
È la scienza che si occupa della produzione e della
propagazione della luce, degli effetti che produce e degli
altri fenomeni correlati con la luce stessa.
Più in generale si occupa non solo della luce visibile, ma
anche di tutte le radiazioni elettromagnetiche
Perchè studiare l’ottica?
La maggior parte di voi la utilizzerà come strumento di lavoro, ma vi sono molte
altri fenomeni che possono essere osservati ogni giorno e che vengono spiegati
facilmente con le leggi dell’ottica.
Perché la rosa è rossa?
Introduzione
4
La luce si
propaga SEMPRE
in linea retta?
Che cosa produce
l’arcobaleno?
Come funziona un lettore CD?
Come ci arrivano le immagini da Marte?
Quanto possiamo ingrandire gli oggetti
per vedere cose piccole e lontane?
globuli rossi
saturno
cristallino
Giove e la sua luna Io
I laser, le fibre ottiche, i collegamenti WiFi stanno già
sostituendo molti dei cavi metallici.
L’evoluzione delle conoscenze porta anche a
importanti progressi tecnologici!!!!
Premi Nobel per la Fisica 2009
Il comunicato stampa che annuncia il premio Nobel per la Fisica 2009 ha un titolo
decisamente azzeccato: "Masters of Light", i Signori della Luce. Scienziati in
grado di imbrigliarla e farla viaggiare per centinaia di chilometri e capaci di
raccoglierla, trasformarla in segnale elettrico e ricostruire con essa delle immagini.
Stiamo parlando di Charles K. Kao e di Willard S. Boyle e George E. Smith: il
primo ha riceuto il premio per i suoi innovativi passi avanti nel campo della
trasmissione della luce nelle fibre ottiche, i secondi due per l'invenzione del
sensore CCD.
Storia e evoluzione dell’ottica
12
5000 a.C. – 1000 d.C.(Gli antichi)
Mesopotamia,
Egitto, India
5000 a.C.
Euclide
325-265 a.C.
Pitagora
Propagazione
Rettilinea,
Le leggi della riflessione
(Catottrica)
570-500 a.C.
Platone
427-347 a.C.
Aristotele
384-322 a.C.
Ottica nella
Storia Antica
Uno specchio è stato scoperto
vicino alla tomba del Faraone
Sesostris II (1900 a.C.).
Grecia Antica (500-300 a.C.)
Piramide di Sesostris II
(conosciuto anche come
Senusret II)
Specchi ustori menzionati da Aristofane (424 a.C.)
Leggi della riflessione: “Catottrica” da Euclide (300 a.C.)
Rifrazione nell’acqua menzionata da Platone nella “ Repubblica”
Ma essi pensavano che fosse l’occhio ad emettere raggi che
venivano riflessi dagli oggetti.
Greci Antichi: Le prime armi a
luce
Gli storici greci e
romani riportano che
Archimede
equippaggiò centinaia
di soldati con specchi
metallici per
focalizzare la luce del
Sole sulle navi romane
nella battaglia di
Siracusa (213 -211
a.C.).
Questa storia è probabilmente apocrifa.
Ottica nel Medio Evo: Alhazen
Lo scienziato arabo Alhazen (~1000 d.C.) studiò gli
specchi sferici e parabolici.
Alhazen correttamente propose che
gli occhi ricevono passivamente la
luce riflessa dagli oggetti, piuttosto
che siano loro stessi ad emanare
raggi luminosi.
Egli spiegò anche le leggi della
riflessione e della rifrazione con il
rallentamento della luce quando
attraversa sostanze più dense.
1200-1650
Formazione delle
immagini
(Regole empiriche)
Occhiali
13 secolo
Descartes, Fermat
(Francia)
1637
Leggi della
Rifrazione
(Diottrica)
Snell
(Olanda)
1621
Microscopio
a due lenti
Hans Jansen
(Olanda)
1590-1608
Telescopi
Galileo Galilei
(Italia)
1609
Ottica in Europa nel primo 1600
Hans Lippershey
chiese un brevetto sul
telescopio Galileiano
nel 1608.
Galileo (1564-1642) ne
utilizzo uno per
osservare la luna ed i
satelliti di Giove.
Due telescopi di Galileo.
Disegno di Galileo della Luna
Johannes
Kepler
Scopre la riflessione totale interna
Spiegò il funzionamento del telescopio
Sviluppò un teoria approssimata
al primo ordine dell’ottica geometrica
Johannes
Kepler (1571–
1630)
Willibrord Snell
Willibrord Snell scoprì le
leggi della Rifrazione (Leggi
di Snell).
θ1
n1
θ2
n2
ni è l’indice di rifrazione di
ciascun mezzo.
Willibrord Snell
(1591-1626)
n1 sin(θ1 ) = n2 sin(θ 2 )
Ottica nel secolo XVII
Cartesio pensava che la luce
dovesse comportarsi come il
suono. Egli quindi propose un
modello in cui la luce produceva
variazioni di pressione in un
mezzo (etere).
René Descartes (1596-1659)
Robert Hooke (1635-1703) studiò l’interferenza colorata
tra due film e sviluppò la prima teoria ondulatoria della
luce.
1650-1850
Huygens
(Olanda)
Introduce il
concetto
di onda
1629-1695
Newton
(Inghilterra)
Concetto
Corpusculare
1643-1727
Interferenza
Diffrazione
Dispersione
Velocità luce
(Ottica ondulatoria)
Fresnel (Francia)
1788-1827
Young (Inghilterra)
1801
Confermano il
concetto di onda
Roemer
(Danimarca)
Velocità
della luce
1676
Grimaldi
(Italia)
Diffrazione
1665
Bartholin
(Danimarca)
Doppia
Rifrazione
1669
Christiaan
Huygens
Huygens sviluppò la teoria
ondulatoria
dell’ottica.
Realizzò che la velocità della luce
varia in un mezzo denso.
Spiegò I fenomeni della
polarizzazione
E della doppia rifrazione.
Doppia rifrazione
Christiaan Huygens
(1629-1695)
Isaac
Newton
"I procured me a triangular glass
prism to try therewith the
celebrated phenomena of colours."
(Newton, 1665)
Isaac Newton
(1642-1727)
Ottica del 18mo e 19mo secolo :
Euler, Young e Fresnel
Leonhard Euler (1707-1783) sviluppò ulteriormente la teoria
ondulatoria e disegnò lenti acromatiche combinando differenti
materiali.
Thomas Young (1773-1829) spiegò
l’interferenza e le frange colorate e
dimostrò che la luce era una onda
trasversa.
Augustin Fresnel (1788-1827) fece
esperimenti per confermare la teoria
ondulatoria e derivò le espressioni per
le onde riflesse e trasmesse.
Augustin Fresnel
1850-1900
Lebedev (Russia)
Pressione della luce
(Misura diretta)
1899
Lorentz (Olanda)
Approfondisce
la teoria
1897
Zeeman (Olanda)
Splitting
1896
Drude (Germany)
Helmholtz (Germany)
Lorentz (Holland)
Oscillatori-Atomi
1896
Hertz (Germania)
(v=с) 1888
Faraday (Inghilterra)
Concetto di campo,
Rotazione della
Teoria
Polarizzazione in campo
Magnetico
1848
elettro-magnetica
Maxwell (Scozia)
della luce e della sua
Equationi del
interazione con
Campo EM
1864
la materia
L’Rau (Francia)
Dispersione Аnomala
dn / dλ
λ>0
1862
Rayleigh (Inghilterra)
Кunge (Germania)
Diffusione
Interrelazione tra
da Oscillatori
Assorbimento e
1871
Dispersione
Selmeire (Germania)
1872
Oscillatori in campo EM
1872
James Clerk Maxwell
Maxwell unificò elettricità e
magnetismo con le sue famose
equazioni e dimostrò che la luce
è una onda elettromagnetica.
James Clerk Maxwell
(1831-1879)
Planck (1900)
Einstein (1905 , 1917)
Teoria quantistica della luce: la luce è composta da
“quanti” di energia hν: i fotoni
Interpretazione degli esperimenti:
Stokes (Inghilterra)
Red Shift della luce
diffusa
1850
Hertz (Germania)
Stoletov (Russia)
Effetto fotoelettrico
1887-1888
Mandelstamm, Landsberg (USSR)
Raman (India)
Raman Scattering
1928
Compton (USA)
Diffusione di
Raggi X
1922
• I FOTONI hanno caratteristiche
ondulatorie (la frequenza) e si comportano
come particelle
E=hν
ν
1905
Einstein
Relatività ristretta
Young, Fresnel, Arago,
Fizeau, Lorentz
Teoria dell’Etere
Michelson, Morley
(Germany, USA)
1881, 1887
Completamento della teoria classica
Vavilov, Cherenkov,
Frank, Tamm (USSR)
1937
Gabor (Hungary) 1948
Denisyuk () USSR1962
Olografia
“La Luce è, in breve, la più raffinata
forma della materia.”
Louis de Broglie
Come si studia oggi l’ottica?
A seconda del problema che si vuole affrontare si usano approssimazioni e approcci
diversi in modo che la descrizione del fenomeno sia più semplice ma adeguata:
Se si trascura la
emissione di
radiazioni
Ottica
quantistica
Se si ignorano gli
effetti quantistici
Ottica
geometrica
Se si ignorano fenomeni come
diffrazione, interferenza e
polarizzazione
Ottica
ondulatoria
Se si assume simmetria
rotazionale e raggi
parassiali
Ottica
di Gauss
Elettrodinamica
di Maxwell
Se si
ignorano le
aberrazioni
Ottica
lineare
Cosa studieremo in questo corso?
Proprietà
delle onde
Equazioni
di Maxwell
Ottica
geometrica
Onde
elettromagnetiche
Ottica ondulatoria
rifrazione e riflessione
Ottica
di Gauss
Ottica Fisica
interferenza
diffrazione
Studio delle
aberrazioni
Immagini di lenti, specchi,
sistemi ottici
Lezioni in classe con uso di diapositive e esercizi alla lavagna
Per ogni capitolo vengono indicati riferimenti ai libri Halliday, Resnick,
Walker: “Fondamenti di Fisica” (ed. Ambrosiana)
Sears: Ottica (ed. Ambrosiana)
Onde
Onde trasversali e longitudinali, Onda piana, forme d’onda, onde
sinusoidali, teorema di Fourier.
(H.R.W cap. 16)
Campo elettrico e magnetico
richiami dal corso di Fisica
Onde elettromagnetiche.
Corrente di spostamento e Equazioni di Maxwell
Dalle equazioni di Maxwell alle onde E.M.
Energia trasportata da un' onda e.m. Vettore di Poynting
Classificazione delle onde, Spettri del visibile, colori, misura della velocità
della luce H:R:W Cap 32 par.1-6, 33 par 1-7
Ottica geometrica.
Leggi della riflessione e della rifrazione. Angolo limite, riflessione totale,
Approssimazione di Gauss, Sorgente e immagine, Specchi, Diottro sferico,
Vergenza della luce e potere diottrico, Lenti sottili, Lenti spesse, equazioni
delle lenti, Strumenti ottici, Aberrazioni Dispersione della luce. (Sears:
Cap1-5, Cap.6 cenni)
Interferenza e diffrazione.
Interferenza. Sorgenti coerenti. Diffrazione e principio di Huyghens.
Diffrazione di Fraunhofer da una fenditura semplice e doppia. Esperienza di
Young. Potere risolutivo di una fenditura e criterio di Rayleigh. Reticolo di
diffrazione.
(H.R.W. Cap. 35-36 o Sears Cap. 8-9)
Verso la fisica quantistica.
Interazione radiazione materia, Effetto fotoelettrico, lo spettro di corpo nero .
spettri a righe.
(Sears Cap. 12 par 1-5),
Unità di misura.
Potenza ed energia, unità di misura radiometriche e fotometriche, sorgenti
di onde elettromagnetiche
(Sears Cap. 13)
35
L’ importanza di frequentare
La frequenza non è obbligatoria, tuttavia è conveniente
frequentare le lezioni, dato che ci sono molte nozioni che non
possono essere messe nelle slides di Power Point che sono
necessariamente schematiche.
Durante il corso verranno prese per 6 volte le frequenze in
modo casuale. Coloro che sono risultati assenti tre o più volte
verranno penalizzati nella convalida dello scritto.
Le slides saranno disponibili sul sito web qualche giorno prima
della lezione
http://webusers.fis.uniroma3.it/~meso/didattica.html
Username: lfts
Password: didattica
Regole per l’esame:
La sessione estiva si svolge in due appelli distinti, uno a giugno, l’altro a luglio.
L’esame consiste in:
• una prova scritta contenente domande a risposta multipla e semplici esercizi
• una prova orale.
Gli studenti che ottengono una votazione allo scritto ≥15 possono fare l’esame orale
(eventualmente anche nel successivo appello all’interno della stessa sessione)
oppure verbalizzare il voto se questo è ≥ 23 e hanno frequentato il corso.
NON E’ POSSIBILE TENERE LO SCRITTO PER UNA SESSIONE DI ESAME SUCCESSIVA
Testi consigliati
• Halliday, Resnick, Walker: “Fondamenti di Fisica” (ed. Ambrosiana)
• Sears: Ottica (ed. Ambrosiana)
• Trasparenze del Corso
NON vogliono e NON possono sostituire il libro,
ma devono essere considerate come un utile
indicazione per le parti che devono essere
maggiormente approfondite.
(Occhio a possibili errori! Ogni segnalazione è benvenuta!)
Gli stessi argomenti possono essere
trovati anche
in vari altri libri…
Introduzione
39
Introduzione
42
Monica De Seta
Tel. 0657333430
e-mail: [email protected]
Studio: Laboratorio di Fisica e Tecnologia dei Semiconduttori (ex OMI)
Orario lezioni
Lunedi
Martedi
Mercoledi
Giovedi
Venerdi
Ora
Ora
Aula
11:15 - 13:00
4
11:15 - 13:00
4
Orario Ricevimento: dopo le lezioni o su appuntamento