Rosanna Capelletti
Dipartimento di Fisica – Università di Parma
Fisica 24 ore
onde elettromagnetiche
luce visibile
ottica
geometrica
modelli
microscopici
ottica fisica
colori nella
(e nell’arte)
suggerimenti per mezzo della scienza alla
Fisica 24 ore
¾ ottica integrata (laser e fibre ottiche)
¾ nanostrutture e nanotecnologie
¾ mimetica di strutture naturali
Onde …
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… onde elettromagnetiche
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• campo elettrico
• campo magnetico
oscillano anche in funzione
del tempo, con frequenza ν
• lunghezza d’onda (λ) e
• frequenza (ν)
legate fra loro
c= λν
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• c=velocità della luce
• nel vuoto: c=3×108m/s
la lunghezza d’onda delle onde e.m. varia
su un intervallo estremamente grande
esempio: onde radio (λ~100m) …
… raggi γ (λ~10-14m)
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l’occhio umano è
sensibile a un
intervallo
strettissimo dello
spettro delle onde
elettromagnetiche
luce visibile
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l’occhio umano ha la
massima sensibilità
• nella regione del verde
(λmax=555nm) per alti livelli di
luce, es. in luce diurna
(visione fotopica)
• nella regione del blu-verde
(λmax=507nm) per bassi livelli
di luce, es. in luce notturna
(visione scotopica)
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Fisica 24 ore
è possibile vedere al buio?
sì, usando gli intensificatori di luce
sfruttano
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• effetto fotoelettrico
• emissione secondaria
• catodoluminescenza
come funzionano?
effetto fotoelettrico
emissione secondaria:
moltiplicazione degli
elettroni
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catodoluminescenza
come si definisce?
secondo lo Zingarelli: … dal latino color-oris,
impressione che la luce variamente riflessa dalla
superficie dei corpi produce sopra l’occhio …
(Ristoro d’Arezzo, 1282)
definizione restrittiva
• sorgente di radiazione e.m. solo la luce visibile
(Sole)
• fenomeno responsabile solo la riflessione
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sorgente: Sole
E(λ)
corpo nero
(~6000K)
λ(nm)
sensibilità occhio
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• il Sole emette radiazione su un ampio intervallo di λ → sorgente
• esempio sono le immagini a diverse lunghezze d’onda
raggi X
λ =171Ǻ
luce bianca non filtrata
riga Hα : λ =6563Ǻ
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λ =195Ǻ
λ =304Ǻ
λ =1089nm
λ =1.7cm
èè possibile
buio?
possibile vedere
vedere al
nell’infrarosso?
Macedonio Melloni (Parma 1798 – Napoli 1854) per
primo misurò e studiò l’infrarosso…
sì,
intensificatori
di luceall’IR
sì, usando
usando gli
videocamere
sensibili
sfruttano l’emissione termica (tipo corpo nero)
di persone e oggetti
visibile
radiazione termica (300K)
E(λ)
103
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104
105
λ(nm)
λ(nm)
…oggi è possibile rivelare con
termogrammi (mappe di
temperatura) la radiazione di
corpo nero emessa da uomini (per
diagnostica medica)…
• la gamba sinistra ha subito una
lesione: circolazione del sangue alterata
• il peso viene scaricato sulla gamba
destra: la caviglia subisce un trauma
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… da animali…
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…da oggetti…
…cubetto di ghiaccio fondente…
… pneumatico…
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… tazze con caffè caldo…
…shuttle al rientro: i pannelli
ceramici protettivi si scaldano
per attrito con l’atmosfera…
… da circuiti elettronici
per rivelare
malfunzionamenti…
perché solo riflessione?
rispecchia l’etimologia di colore:
… da colere (o radice indoeuropea
kel=nascondere), vedi celare…
• il colore è la forza che fa
nascondere (l’essenza di una
cosa), secondo un’interpretazione
antichissima presente anche nella
parola indiana varna: il colore in
quanto copre
• il colore come superficie:
concetto che risale ad Aristotele
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…anche altri fenomeni e meccanismi danno luogo al colore …
fenomeni dell’ottica geometrica
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• riflessione
rifrazione
fenomeni dell’ottica fisica
diffusione della luce
(mezzi torbidi)
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meccanismi a livello atomico: impurezze
assorbimento
(trasmissione)
fluorescenza (indotta
da UV)
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interferenza
• libellule
• bolle di sapone
• orecchia di mare (haliotis)
mimetica: materiali a resistenza meccanica elevatissima
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fenomeni dell’ottica fisica come causa del colore
interferenza in strati (film) sottili
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il mollusco haliotis costruisce una conchiglia molto robusta iridescente
organizzando il carbonato di calcio (aragonite rombica) in mattoni nanostrutturati tenuti assieme da una ‘colla’ costituita da carboidrati e proteine
centinaia di celle
unitarie formano un
‘mattone’ di aragonite
struttura dell’aragonite (CaCO3)
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diffrazione
•
•
•
•
ombrello by night…
CD…
farfalla Morpho…
opali …
nanotecnologie:
• cristalli fotonici
• circuiti ottici integrati ad alta densità
diffrazione di raggi X: struttura dei materiali cristallini
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fenomeni dell’ottica fisica responsabili del colore
diffrazione
reticolo di diffrazione
reticolo di diffrazione
bidimensionale: la tela
dell’ombrello
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colore per diffrazione
CD al SEM (2000X)
CD al SEM (5000X)
compact disc al microscopio ottico: 200X
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colore per diffrazione
ala della farfalla Morpho
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il colore per diffrazione: le opali
‘Est in his carbunculi tenuior ignis, est amethisti fulgens purpura, est
smaragdi virens mare, cuncta pariter incredibili mixtura lucentia.’
Plinio: Naturalis Historia –XXXVII, 80-81
‘Esse hanno, ma più sottile, il fuoco del carbonchio, hanno il fulgore
purpureo dell’ametista e il verde mare dello smeraldo, tutti insieme
risplendenti in questa incredibile fusione.’
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Opale (SiO2·nH2O): reticolo tridimensionale con d~250nm
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Cristalli fotonici
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Structure and optical properties of
the scales of the beetle
Pachyrhynchus argus.
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• a, Dorsal view. The beetle's
metallic coloration is visible from
every direction owing to the optical
properties of its scales, which act as
a photonic crystal and have a
structure analogous to that of
opal.
• b, Scanning electron micrograph
(SEM) of several partially
overlapping scales (green in a).
• c, SEM of a section through a
single scale, showing the 'opal'
structure fractured (as an artefact
of sectioning) to form a pyramid
shape.
• d, Spectrometric analysis.
White light was incident at 20° to
the normal of the scale surface, and
the reflectance profile was
measured at 20° to the other side
of the normal. Scale bars: b, 100
<µm; c, 1 µm.
antenna di gamberetto
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da un frammento fossile (515 milioni
di anni) di ‘reticolo di diffrazione’ di
una setola di Canadia spinosa
ricostruzione della foto (!?) a colori
dell’animaletto
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diffrazione di raggi X …
… utilizzata per lo studio delle strutture cristalline
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berillo eliodoro
Be3Al2Si6O18
diffrattogramma del cristallo
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modello teorico
diffusione (o scattering)
•
•
•
•
•
cielo azzurro e tramonto …
fumo…
…fumo congelato acchiappa comete…
dalla coppa di Licurgo…
… ai nanocristalli
nanotecnologie:
• laser a stato solido
• nanotubi: sensori, interruttori ultraveloci
per computer….
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colore per diffusione
particelle:
piccole
medie
luce incidente
molecola dell’aria
Sole
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prevale il rosso
prevale il blu
grandi
colore per diffusione: il fumo appare …
• azzurrino contro uno sfondo
scuro
• rossastro contro uno sfondo
luminoso
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fumo…
… fumo congelato? aerogel di silice!
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Aerogel di silice (SiO2)
• silice prodotta con tecnica sol-gel a partire da una
soluzione di un composto organico del Si
• bassissima densità: es. d=0.1 g/cc, rispetto a
d=2.65g/cc del quarzo o della silice comune
•
•
•
•
•
•
•
filamenti di silice connessi fra di loro
molto porosa (spugna di vetro, fumo solido)
porosità che va dall’85 al 99.5%
pori con dimensioni diverse
è aria al 99.8%!
fragile
sopporta elevate temperature
cristalli di quarzo (SiO2)
ottimo isolante termico
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Aerogel per l’esplorazione dello spazio
… a caccia di comete e polvere di stelle!
• frena ‘gentilmente’ particelle e
frammenti iperveloci
• li cattura senza danneggiarli per una
successiva analisi in laboratorio
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Colore per diffusione della luce in vetri
nanoparticella
Coppa di Licurgo (IV sec. d. C.)
Romani iniziatori delle nanotecnologie??
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nano-cristalli di CdSe con
dimensioni diverse
• illuminati con radiazione UV
• emettono fluorescenza di
differenti colori → laser
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un fascio di elettroni colpisce un
cristallo scintillatore
• Calorimetro inserito sulla beam line KTeV al FermiLab, costituito da 3100 cristalli
scintillatori di CsI, disposti su un’area di 1.9 m×1.9 m.
• Misura l’energia di particelle prodotte dal decadimento di kaoni, registrando la
radioluminescenza emessa al passaggio delle particelle attraverso i cristalli di CsI.
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colore da impurezze…
dalle pietre preziose ai laser a stato solido…
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… ruolo delle impurezze sul colore … laser
• il corindone Al2 O 3 è trasparente
• la presenza di impurezze lo colora
• il colore rosso del rubino è dovuto allo
ione Cr3+ che sostituisce lo ione Al3+ nel
corindone
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il rubino se illuminato con radiazione UV emette
un’intensa fluorescenza rossa
in luce naturale
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sotto luce UV
… nei rubini artificiali la fluorescenza è utilizzata come emissione laser
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Laser a rubino
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… altri cristalli (e vetri) per laser…
barrette di tungstato di Gd e K drogato Nd
monocristalli di Nd: YAG
vetri da sol-gel per laser accordabili
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… ma anche laser a gas: laser ad Argon
con emissione a diverse lunghezze d’onda
Fisica 24 ore
generazione di seconda armonica (SHG)
cristalli di KTP per SHG
SHG da diodo laser
con fibra ottica di
LiNbO3
Fisica 24 ore
SHG da cristalli di KLN
