Fenomeni che evidenziano il comportamento ondulatorio della luce:
interferenza e diffrazione
L'identificazione della luce come fenomeno ondulatorio è dovuta principalmente a
Fresnel e Huyghens ed è basata sul fenomeno dell'interferenza, cioè del
verificarsi, sotto certe condizioni,della comparsa di regioni luminose e oscure, là
dove l'ottica geometrica predirebbe semplicemente le une o le altre.
L'ipotesi della natura ondulatoria della luce rende possibile l'interpretazione di tale
fenomeno, basata appunto sull'osservazione che l'intensità luminosa relativa alla
sovrapposizione per esempio di due segnali luminosi si rafforza o si indebolisce a
seconda della loro relazione di fase.
L'idea che la luce è un'onda elettromagnetica è dovuta a Maxwell ed è basata
essenzialmente su tre fatti:
il fenomeno della polarizzazione, che evidenzia il carattere trasversale dell'onda,
la possibilità che la luce si propaghi nel vuoto e
l'uguaglianza tra il valore sperimentale della velocità di propagazione della luce nel
vuoto e la velocità di propagazione c delle onde elettromagnetiche, determinata da
esperimenti puramente elettromagnetici.
Una volta assodato che la luce è un'onda elettromagnetica, diventa possibile
mostrare che la teoria delle onde elettromagnetiche si applica alla luce visibile
la cui lunghezza d'onda varia approssimativamente tra 400 e 700 nm.
Come è ben noto, le difficoltà di spiegare l'interazione della luce con la materia e il
processo di emissione della luce da parte della materia stessa, hanno portato i
Fisici della prima metà del XX secolo a generalizzare la teoria classica dei fenomeni
elettromagnetici nell'elettrodinamica quantistica, in cui la luce possiede sia la natura
di particella sia quella di onda, anche se non è possibile evidenziare
completamente questi due aspetti contemporaneamente.
Quando due o più fasci di radiazione si sovrappongono, la distribuzione di intensità,
nella maggioranza dei casi, non è la somma delle intensità dei singoli fasci. Questo
fenomeno viene detto interferenza.
Quando si pone un ostacolo tra una sorgente puntiforme di radiazione ed uno
schermo di osservazione, l'ombra sullo schermo non presenta contorni netti tra
chiaro e scuro, ma comprende un intricato disegno di regioni chiare e scure. Questo
fenomeno è noto come diffrazione e si verifica ogni qualvolta una parte del fronte
d'onda viene intercettata da oggetti materiali siano essi opachi o trasparenti alla
radiazione incidente.
Possiamo enunciare il principio di
Huygens-Fresnel in questo modo:
Quando sul percorso di un fronte
sferico di luce, propagantesi da una
sorgente puntiforme, si frapponga un
diaframma assorbente provvisto di
fori, questi divengono a loro volta
centri di onde sferiche elementari
(secondarie) il cui inviluppo
rappresenta la superficie d’onda al di
là del diaframma, in modo tale che il
campo in ogni punto si ottiene
componendo i campi elettrici delle
singole onde sferiche secondarie.
INTERFERENZA
Intensità risultante quando ω1 = ω2 = ω
dt=dαT/2π
(X.46)
Sfasamento Δ e cammino ottico
Esperimento di Young
DIFFRAZIONE
DIFFRAZIONE ALLA ‘FRAUNHOFER’
La formula consente di calcolare l’intensità di
radiazione emessa dall’elemento di superficie
dS0in funzione di θ ed evidenzia una
differenza di fase =π/2 tra la radiazione
emessa dalla sorgente interna e quella che
raggiunge dS0
Diffrazione di Fraunhofer da un foro circolare
Una lente, nel focalizzare un’immagine, consente il passaggio solo alla luce che incide entro il perimetro
circolare. Da questo punto di vista la lente si comporta come una apertura circolare in uno schermo opaco.
Una tale apertura produce quindi figure di diffrazione, Gli effetti di diffrazione costituiscono spesso un limite
per stumenti ottici (telescopi..) nella capacità di rendere immagini nitide.
La figura mostra l’immagine di una sorgente
lontana puntiforme e distante (stella) formata
su una pellicola fotografica posta nel piano focale
della lente convergente di un telescopio
Il fatto che le immagini della lenti siano figure di diffrazione è importante quando vogliamo distinguere due
oggetti puntiformi lontani con piccola separazione angolare (stelle vicine). In figura si evidenzia la scarsa o
buona risoluzione tra le immagini. Nella parte centrale (b) la distanza angolare delle due sorgenti à tale che
il massimo di diffrazione di una coincide con il primo minimo dell’altra
Già visto per la figura di interferenza da due fenditure
I = 2Ic + 2Ic cos
Interferenza e Diffrazione da doppia fenditura
RETICOLO DI DIFFRAZIONE
Dispersione angolare, Potere risolutivo e Sensibilità dei Reticoli
