introduzione - Dipartimento di Fisica

OTTICA
INTRODUZIONE
I fenomeni dell’ottica sono noti da migliaia di anni
- Exodus 38:8 1200 A.C.,
Euclide 300 A.C. propagazione rettilinea e legge della riflessione
Alhazen 1000 D.C.
Leonardo da Vinci (1452-1519) camera obscura
tuttavia le modeste risorse tecnologiche ne hanno limitato fortemente l’evoluzione
per parecchi secoli.
Galileo (1564-1642) telescopio
Keplero (1571-1630) telescopio con lenti concave/convesse
Snell (1591-1626) legge della rifrazione
Rene Descartes (1596-1650)
formulazione analitica della
stessa in termini di seno degli angoli di incidenza et rifrazione
Pierre de Fermat (1601-1665) principio del minimo tempo
Francesco Maria Grimaldi (1618-1663) DIFFRAZIONE
Natura della luce
Isac NEWTON (1642-1727) telescopio a riflessione, dispersione della luce
Teoria corpuscolare
Huygens (1629-1695)
base della sua
interpretazione delle leggi di riflessione e rifrazione sulla
Teoria ondulatoria
In ogni caso la luce è molto
veloce…
Velocità della luce
Romer (1644-1710)
Fizeau (1819-1896)
Foucault (1819-1868)
Io
- prima misura della velocità della luce
Young, Fresnel, Malus
- prima misura terrestre della velocità della luce
Effetto Kerr e modulazione elettro-ottica ∆n ∝ E2
- prima misura in laboratorio ; specchio rotante;
1850 - ------- - 1858
Φ/ω = 2 d / c
Φmin = 2π / 2n
Più noto al grande pubblico per il famoso esperimento del pendolo che mostra la
rotazione della Terra, Léon Foucault (1819-1868) merita di essere ricordato anche per
i suoi importanti contributi all'ottica e, in particolare, per le misurazioni della velocità
della luce che eseguì sfruttando la rapida rotazione di uno specchio.
Per la prima volta, questa tecnica consentiva di misurare l’elevatissima velocità della
luce nel piccolo spazio di un laboratorio. Ciò dava finalmente la possibilità di
confrontare le velocità di propagazione della luce in mezzi con differenti indici di
rifrazione (aria e acqua) per rispondere a domande fondamentali che gli studiosi
avevano da tempo formulato sulla natura della luce e in particolare sulla scelta tra la
rappresentazione ondulatoria o corpuscolare del fenomeno.
L’iniziativa, organizzata da docenti del Dipartimento di Fisica dell’Università di Pavia in
collaborazione con la Sezione A.I.F. di Pavia, si propone di illustrare queste importanti
tappe della conoscenza scientifica in modo storicamente accurato (prof. Lucio
Fregonese), come non sempre accade nelle esposizioni divulgative.
Infine, gli esperimenti di Foucault sulla velocità della luce saranno replicati in aula
(prof. Matteo Galli) sfruttando tecnologie ottiche ed elettroniche che oggi si
impiegano con finalità diverse in apparecchiature di uso quasi comune.
19° secolo
Young, Fresnel, Fizou
Clerk Maxwell (1831-1879)
approccio em
teoria ondulatoria
c = 1/(ε0µ0)1/2
Rudolf Hertz (1857-1894)
verifica sperimentale nel 1888
la teoria ondulatoria sembra imperare,
ma c’è il problema dell’etere…
vt = velocità della Terra
tgα = BC / AC = vt /c
α≈ 10-4 rad vt = 3x104 m/s
c = 304.000 km/s
James Bradley (1693-1762) 1725 aberrazione stellare
Michelson 1881
Morley 1887
Non c’è moto relativo della terra rispetto all’etere
Così, mentre una spiegazione del fenomeno della aberrazione stellare,
nell’ambito della teoria ondulatoria, richiedeva l’esistenza DI UN MOTO RELATIVO
TERRA-ETERE, gli esperimenti di Michelson-Morley escludevano tale possibilità
Ventesimo secolo
Albert Einstein (1879-1955)
1905 Relatività speciale
rigetta l’etere
e postula:
La velocità della luce è indipendente dallo stato di moto del corpo
che la emette
Max Planck (1858-1947)
1900 Quantum Mechanics
E = hν
Einstein propone una nuova teoria
1905 Idea di FOTONE
corpuscolare…
o quanto di energia radiante
1930 La antitesi onda-corpuscolo si dissolve in un dualismo (Wolfgang
Pauli 1950 - il neutrino con momento p = h/λ)
Assorbimento ed emissione della luce secondo la meccanica
quantistica…
1913
David Bohr
< atomo di Idrogeno
Natura granulare della luce: una evidenza sperimentale fig. 1.1
La meccanica quantistica tratta di tutte le particelle, più o meno localizzate nello
spazio, e così descrive in modo analogo sia la materia che la luce.
p, v, λ per particelle e fotoni si scrivono con le stesse
equazioni generali (1-3,1-4,1-5)
dove
m è la massa a riposo
E è l’energia totale, somma della energia a riposo mc2 e della energia cinetica EK
γm è la massa relativistica e γ il fattore relativistico
γ = 1/√(1-v2/c2)
EK = mc2(γ-1)
1 una prima differenza cruciale fra particelle come elettroni e protoni e fotoni è
che questi ultimi hanno zero massa a riposo. Quindi le relazioni generali assumono
la forma più semplice 1-6,1-7,1-8
2 una seconda importante differenza tra elettroni e fotoni è che gli elettroni
seguono la statistica di Fermi e i fotoni quella di Bose (i fotoni non sono afflitti dal
principio di esclusione).
Questo giustifica il fatto che moltissimi fotoni possono avere (condividere) lo stesso
momento e la stessa energia, la struttura granulare della luce non viene
sperimentata e la descrizione in termini di onda appare adeguata.
Negli ultimi decenni…
La disponibilità di sorgenti coerenti ad elevatissima potenza (il primo laser è del
1960) ha favorito la scoperta di tantissimi nuovi fenomeni che hanno prodotto
svariate ricadute applicative e
in particolare nell’ambito di:
Olografia
Comunicazione ottica
Analisi non distruttiva di materiali e dispositivi
Vedasi
Introduction to optics
F. Pedrotti
p.4