La luce in fisica

La luce in fisica
Come vediamo
La luce: aspetti
p
fisici
Cos’è la luce?
Concetti fondamentali:
-
velocità, ampiezza, lunghezza d’onda
assorbimento
riflessione
rifrazione
diffrazione
indice di rifrazione
temperatura di colore
Come vediamo
La luce - richiami storici
Sino al XVII secolo le idee sulla visione e sulla luce
furono abbastanza confuse …
La luce era considerata una specie di fluido in grado
di passare tra gli oggetti.
Secondo molti autori, la visione era dovuta ad uno
“spirito visivo” che passava dall’osservatore
all’oggetto
ll’
osservato.
Come vediamo
La luce - richiami storici - le concezioni moderne
Sir Isaac Newton (1642 - 1727)
Teoria corpuscolare, scomposizione della luce
bianca, velocità di propagazione finita e diversa in
materiali diversi, telescopio a riflessione ecc.
Cristian Huygens
yg
(1629
(
- 1695))
Teoria ondulatoria, prima teoria sulla
propagazione, velocità di propagazione finita
(minore nel vetro),
vetro) progetto e costruzione di sistemi
ottici ecc.
Come vediamo
La luce - richiami storici - le concezioni contemporanee
James Clerk Maxwell (Edimburgo, 1831 - Cambridge,
1879) Equazioni del campo elettromagnetico, la luce come campo
elettromagnetico, previsione teorica delle onde radio ecc.
Max Planck (Kiel,
(Kiel 1858 - Gottinga,
Gottinga 1947)
Radiazione di corpo nero, costante di Planck h (fondamentale nella
fisica quantistica). Premio Nobel nel 1918.
Albert Einstein (Ulma, 1879 - Princeton, 1955)
Spiegazione dell
dell’effetto
effetto fotoelettrico e qualche altra cosuccia (rela
(relatività ristretta e generale ecc). Nobel nel 1921.
Come vediamo
La luce - cos’è
Attualmente esistono due teorie, in un certo senso
opposte ma collegate tra loro:
Teoria ondulatoria
Teoria “corpuscolare” o quantistica
Come vediamo
La luce - cos’è
Teoria ondulatoria:
La luce è una radiazione elettromagnetica formata da un campo
elettrico e uno magnetico, concatenati tra loro, la cui ampiezza varia
periodicamente
con
frequen-za
altissima.
Nel vuoto, la velocità di propagazione “c” è costante, pari a
circa 300.000 km/s.
Relazione tra la componente
p
elettrica e magnetica in un’onda
Le caratteristiche di un
un’onda
onda elet
elettromagnetica sono descritte dalle
equazioni di Maxwell.
Equazioni di Maxwell nella forma
integrale semplificata di Heavyside-Gibbs
Come vediamo
La luce - cos’è
Teoria ondulatoria:
Tutte le onde elettromagnetiche hanno le stesse caratteristiche:
l’unico parametro che le differenzia è la frequenza di oscillazione.
Altri esempi di radiazione elettromagnetica
- onde radio
- raggi infrarossi
- raggii X e gamma
Relazione tra la componente
p
elettrica e magnetica in un’onda
Come vediamo
La luce - cos’è
Teoria quantistica:
La luce (e ogni altra
radiazione elettromagnetica) è
formata da una serie di entità
discrete, detti quanti (o, nel
caso specifico, fotoni).
Nel vuoto,
oto la velocità
elocità di
propagazione “c” è costante e
pari a circa 300.000 km/s.
Il fotone non è una particella materiale (come
i
immaginava
i
N t ) ma un’entità
Newton),
’ tità imprei
cisa, descrivibile come una nuvola di probabilità, che, in determinate circostanze, si
comporta come un’onda e in altre come una
particella
ti ll solida.
lid
Il legame tra le due “forme” è stabilito dalla
costante di Planck.
h
Come vediamo
La luce - cos’è
Nella nostra trattazione utilizzeremo l’uno o
l’altro dei modelli, secondo necessità.
Come vediamo
La luce - spettro elettromagnetico
Come vediamo
La luce - qualche definizione
Come vediamo
La luce
La velocità di propagazione della luce (e di qualsiasi altra
onda elettromagnetica) è di circa 300.000 km al secondo nel
vuoto.
La velocità della luce nel vuoto è,, in base alla Relatività,, una
costante universale (simboleggiata dalla lettera c), e non può
essere superata.
All’interno della materia, questa velocità si riduce (per cui è
possibile trovare particelle più veloci della luce all’interno
della materia).
Si definisce indice di rifrazione di un materiale il rapporto tra
la velocità della luce nel vuoto e quella nel materiale stesso.
Come vediamo
La luce e la materia
Quando un’onda incontra un ostacolo ((in altre p
parole una
zona nella quale si ha un cambiamento più o meno
repentino della velocità - differente indice di rifrazione) si
possono osservare alcuni fenomeni:
assorbimento rifrazione
riflessione
diffrazione
Come vediamo
La luce e la materia - assorbimento
ostacolo
onda incidente
Assorbimento:
L’energia dell’onda è parzialmente o totalmente
assorbita
bi
d ll’
dall’ostacolo.
l
Al limite
li i
l’ d cessa di
l’onda
esistere.
Come vediamo
La luce e la materia - assorbimento
L’energia dell’onda, ceduta
all’ostacolo
all
ostacolo, si trasforma in
calore (questo accade con
qualsiasi tipo d’onda, anche
non elettromagnetica).
l tt
ti )
(… avreste mai immaginato che
per far bollire l’acqua della pasta
potesse
p
essere
sufficiente
cantarci sopra con abbastanza
impegno?)
Come vediamo
La luce e la materia - riflessione
Riflessione:
L’ d è rinviata
L’onda
i i t nell mezzo dal
d l quale
l proveniva.
i
Come vediamo
La luce e la materia - rifrazione
Rifrazione:
La rifrazione
L
if i
sii verifica
ifi
quando
d un’onda
’ d attraversa
tt
l’interfaccia tra mezzi nei quali si propaga con velocità
differente.
Come vediamo
La luce e la materia - rifrazione
V l ità minore
Velocità
i
nell vetro
t
vetro
Rifrazione:
aria
La rifrazione
L
if i
sii verifica
ifi
quando
d un’onda
’ d attraversa
tt
l’interfaccia tra mezzi nei quali si propaga con velocità
differente.
Come vediamo
La luce e la materia - rifrazione
vetro
Gli
indici
di
rifrazione
cambiano con la lunghezza
d’onda della luce incidente,
per cui luci di colore diverso
saranno deviate di angoli
diversi.
Questo
permette
di
scomporre la luce bianca
nelle
ll
sue
componenti
ti
mediante
un
prisma
e
produce l’arcobaleno, ma crea
anche
una
aberrazione
(difetto) dei sistemi ottici (p.e.
obiettivi) detta aber-razione
cromatica.
aria
Come vediamo
La luce e la materia - diffrazione
Diffrazione:
Bordi e fenditure di dimensioni paragonabili alla lunghezza d
d’onda
onda
della radiazione incidente si comportano come nuove sorgenti puntiformi.
Come vediamo
La luce e la materia - diffrazione
Come vediamo
La luce - colore (dal punto di vista del fisico)
Anche se non esiste una
relazione
diretta
e
semplice, il colore che
noi percepiamo dipende dalla lunghezza d’onda della luce.
700 nm
400 nm
Le lunghezze d’onda più lunghe daranno la sensazione del rosso. Luci
di breve lunghezza d’onda daranno quella del blu-violetto.
Come vediamo
La luce - colore (dal punto di vista del fisico)
bianco:
tutte le
lunghezze
d’onda sono
riflesse
verde:
sono
assorbite le
lunghezze
d’onda
estreme dello
spettro
arancio:
sono
assorbite le
lunghezze
d’onda p
più
brevi
nero:
tutte le
lunghezze
d’onda sono
assorbite
Un oggetto opaco ci appare colorato poiché la sua superficie
assorbe alcune componenti della luce che lo raggiunge,
riflettendo più o meno intensamente le altre.
altre