La natura della luce Ottica geometrica Velocità della luce

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Fisica II - CdL Chimica
La natura della luce
Ottica geometrica
Velocità della luce
Dispersione
Fibre ottiche
La natura della luce
 Teoria corpuscolare (Newton)
 Teoria ondulatoria: proposta già al tempo di Newton,
ma scartata perchè necessaria l’esistenza di un
mezzo di “supporto” (etere !). Solo nel XIX secolo
dopo una lunga serie di esperimenti fu accettata.
 Teoria quantistica: comportamento corpuscolare
nelle interazioni con la materia a livello microscopico
(XX secolo).
 La luce presenta una doppia natura:
 comportamento ondulatorio
 comportamento corpuscolare
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Velocità della luce
Maxwell: tutte le onde
elettromagnetiche (non
solo la luce) si propagano
nel vuoto con la stessa
velocità
Metodo di Fizeau (1849)
Condizioni di buio:
valore attuale:
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Velocità della luce nella materia
Polarizzazione: Nei materiali dielettrici il campo il
elettrico viene alterato di un fattore εr, costante
dielettrica relativa (orientamento dipoli elettrici)
Magnetizzazione: I materiali magnetici, caratterizzati
da una permeabilità magnetica relativa mr, possono
modificare il campo dell’onda e.m.
Quindi
Nei materiali trasparenti (normalmente non ferromagnetici) mr1 e v dipende solo da er.
Alle frequenze tipiche delle onde luminose 1015 Hz, il
campo elettrico oscilla troppo rapidamente perché i
dipoli lo possano seguire, per cui er dipende dalla
frequenza, cioè v=v(f)=v(l), oltre che dal materiale
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Ottica geometrica
Modello semplificato:
Approssimazione dei raggi luminosi
l<<d
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Ottica ondulatoria
Effetti interferenziali
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l~d
Riflessione e
Rifrazione
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speculare
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Riflessione
diffusa
Principio di Huygens
Il principio di Huygens è una costruzione geometrica per
determinare la posizione di un nuovo fronte d’onda dalla
conoscenza di un fronte d’onda anteriore.
Tutti i punti su un dato fronte d’onda si possono considerare come
sorgenti puntiformi di onde sferiche elementari: la superficie
tangente risultante è il nuovo fronte d’onda ad un istante
successivo.
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Principio di Huygens
Costruzione di Huygens
Riflessione di un’onda piana su uno
specchio piano analizzata mediante
la costruzione di Huygens
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Principio di Fermat
(riflessione)
Un raggio di luce, propagandosi
da un punto fisso ad un altro,
segue un percorso tale che il
tempo impiegato a percorrerlo,
confrontato con quello dei
percorsi vicini, è un minimo o un
massimo o è stazionario
Il punto P deve trovarsi in una
posizione tale che il tempo di
percorrenza t=L/c sia stazionario:
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Riflessione
Raggio incidente, raggio riflesso
e normale sono coplanari.
L’angolo di incidenza è uguale
all’angolo di riflessione
Il cammino del raggio di luce è reversibile
Riflessione della luce su una strada. Quale riflessione è speculare
e quale è diffusa ?
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Rifrazione
Variazione di direzione del raggio di
luce al confine tra due mezzi
vi = velocità di propagazione nel mezzo i
L’angolo q2 dipende dalle proprietà
dei due mezzi secondo la relazione:
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Legge
di Snell
Principio di Fermat
(rifrazione)
L=cammino ottico (somma lunghezze
percorse nei mezzi per indice di
rifrazione di ciascun mezzo)
Legge della rifrazione
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Rifrazione
vluce in aria 3.0 × 108 m/s, vluce in vetro 2.0 × 108 m/s → perchè ?
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La luce nel vetro incontra un atomo in A e viene
assorbita. L’atomo si mette in oscillazione ed irradia
la luce verso un altro atomo B che la assorbe, ed il
processo continua (come una staffetta). I processi
di emissione ed assorbimento causano un ritardo
nella velocità di propagazione media della luce.
Rifrazione
La luce passando da un mezzo ad un altro viene rifratta
perchè la sua velocità media è diversa nei due mezzi.
indice di rifrazione
ogni
sostanza ha
il suo indice
di rifrazione
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Rifrazione (aspetto ondulatario)
Quando un’onda passa da un mezzo a
un altro la sua frequenza non varia !
I fronti d’onda superano un osservatore in A
nel mezzo 1 con una certa frequenza ed
incidono all’interfaccia (mezzo 1)/(mezzo 2).
La frequenza con la quale i fronti d’onda
superano un osservatore in B deve essere
identica. Altrimenti si creerebbe un
accumulo o una riduzione di onde al confine.
Poichè la relazione
e deve anche essere
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rimane valida
Legge di Snell
(teoria ondulatoria)
Esempio di rifrazione
Raggio di luce che attraversa una lastra di vetro
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I raggi incidente ed emergente sono paralleli
ma “disassati” di una distanza d.
Dispersione
Dipendenza dell’indice di rifrazione
dalla lunghezza d’onda si chiama
dispersione.
Effetti della dispersione (es. prisma)
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Esempio
Ricavare indice di rifrazione
del prisma sotto la condizione
che qinc=qem.
L’angolo di deviazione totale
Per la legge della rifrazione
Questa relazione vale solo se l’angolo q è tale che il raggio luminoso
attraversi il prisma in modo simmetrico. In questo caso Y è detto
angolo di deviazione minima.
E’ un metodo sperimentale per determinare n.
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Dispersione: arcobaleno
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Riflessione interna totale
In condizioni di riflessione interna totale la luce non si propaga nel
secondo mezzo.
La riflessione interna totale si verifica solo quando la luce si
propaga da un mezzo di un dato indice di rifrazione ad un mezzo di
indice di rifrazione minore. Dalla legge di Snell:
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Riflessione interna
totale: esempi
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Fibre ottiche
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Fibre ottiche
Applicazione del
fenomeno della
riflessione interna
totale: confinamento
della luce.
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Fibre ottiche
Cono di accettazione della luce: necessità di un ottimo
accoppiamento tra fibre laddove esistono delle
giunzioni !!!
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Effetto Doppler
In acustica per una sorgente in
(+) oss. fisso, sorg. allont.
moto rispetto ad un osservatore
(-) oss. allont., sorg. fissa
la frequenza del suono vale:
Nel caso della luce la situazione è diversa perché, in assenza di
un mezzo di supporto, “sorgente (osservatore) che si avvicina
all’osservatore (sorgente)” sono situazioni indistinguibili.
Se la direzione di propagazione della luce coincide con quella del
moto relativo dell’osservatore:
La luce nello spazio vuoto ha la stessa velocità per tutti gli
osservatori, indipendentemente dai loro moti relativi (II principio
della relatività).
Invece, nel caso delle onde acustiche la velocità dell’onda relativa
al mezzo di propagazione varia a seconda della velocità
dell’osservatore.
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Effetto Doppler: applicazioni
RADAR Doppler
Un radar Doppler è uno speciale tipo di radar che utilizza
l’effetto Doppler per determinare a distanza la velocità di
oggetti che si muovono.
Funziona dirigendo una radiazione a microonde verso il bersaglio
desiderato e analizzando la variazione di frequenza subita dalla
la componente riflessa, determinata dal movimento dell’oggetto.
La misura di questa variazione fornisce una accurata e diretta
misura della componente radiale della velocità del bersaglio
rispetto al radar.
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