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La luce in fisica
Come vediamo
La luce: aspetti fisicip
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 lucefurono 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 ll’ all’oggetto 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.materiali diversi, telescopio a riflessione ecc.
Cristian Huygens (1629 - 1695)yg ( )Teoria ondulatoria, prima teoria sulla propagazione, velocità di propagazione finita (minore nel vetro) progetto e costruzione di sistemi(minore nel 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 campo1879) Equazioni del campo elettromagnetico, la luce come campoelettromagnetico, previsione teorica delle onde radio ecc.
Max Planck (Kiel 1858 Gottinga 1947)Max Planck (Kiel, 1858 - Gottinga, 1947)Radiazione di corpo nero, costante di Planck h (fondamentale nellafisica quantistica). Premio Nobel nel 1918.
Albert Einstein (Ulma, 1879 - Princeton, 1955)Spiegazione dell’effetto fotoelettrico e qualche altra cosuccia (rela-Spiegazione dell effetto fotoelettrico e qualche altra cosuccia (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 ondulatoriaTeoria “corpuscolare” o quantistica
Come vediamo
La luce - cos’è
Teoria ondulatoria:
La luce è una radiazione elettro-La luce è una radiazione elettro-magnetica formata da un campoelettrico e uno magnetico, conca-tenati tra loro, la cui ampiezza variaperiodicamente con frequen-zaperiodicamente con frequen-zaaltissima.
Nel vuoto, la velocità di pro- Relazione tra la componentepagazione “c” è costante, pari acirca 300.000 km/s.
Le caratteristiche di un’onda elet-
pelettrica e magnetica in un’onda
Le caratteristiche di un onda elettromagnetica sono descritte dalleequazioni di Maxwell.
Equazioni di Maxwell nella formaintegrale semplificata di Heavyside-Gibbs
Come vediamo
La luce - cos’è
Teoria ondulatoria:
Tutte le onde elettromagnetiche hanno le stesse caratteristiche: 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
i X Relazione tra la componente
- raggi X e gammap
elettrica e magnetica in un’onda
Come vediamo La luce - cos’è Il fotone non è una particella materiale (come
i i N t ) ’ tità i
Teoria quantistica:
immaginava Newton), ma un’entità impre-cisa, descrivibile come una nuvola di pro-babilità, che, in determinate circostanze, sicomporta come un’onda e in altre come una
ti ll lid
La luce (e ogni altra radiazione elettromagnetica) è formata da una serie di entità
particella solida.
Il legame tra le due “forme” è stabilito dallacostante di Planck.
formata da una serie di entità discrete, detti quanti (o, nel caso specifico, fotoni).
Nel oto la elocità di hhNel vuoto, la velocità di propagazione “c” è costante e pari a circa 300.000 km/s. hh
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 altraonda elettromagnetica) è di circa 300.000 km al secondo nelonda elettromagnetica) è di circa 300.000 km al secondo nelvuoto.
La velocità della luce nel vuoto è, in base alla Relatività, una, ,costante universale (simboleggiata dalla lettera c), e non puòessere superata.
All’interno della materia, questa velocità si riduce (per cui èpossibile trovare particelle più veloci della luce all’internodella materia).
Si definisce indice di rifrazione di un materiale il rapporto trala 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 parole una( pzona nella quale si ha un cambiamento più o menorepentino della velocità - differente indice di rifrazione) sipossono osservare alcuni fenomeni:
assorbimento rifrazioneassorbimentoriflessione
rifrazione
diffrazione
Come vediamo
La luce e la materia - assorbimentoostacolo
onda incidente
Assorbimento:
L’energia dell’onda è parzialmente o totalmentebi d ll’ l Al li i l’ d diassorbita dall’ostacolo. Al limite l’onda cessa di
esistere.
Come vediamo
La luce e la materia - assorbimento
L’energia dell’onda, ceduta all’ostacolo si trasforma inall ostacolo, si trasforma in calore (questo accade con qualsiasi tipo d’onda, anche
l tt ti )non elettromagnetica).
(… avreste mai immaginato cheper far bollire l’acqua della pastapotesse essere sufficientepcantarci sopra con abbastanzaimpegno?)
Come vediamo
La luce e la materia - riflessione
Riflessione:
L’ d è i i t l d l l iL’onda è rinviata nel mezzo dal quale proveniva.
Come vediamo
La luce e la materia - rifrazione
Rifrazione:
L if i i ifi d ’ d ttLa rifrazione si verifica quando un’onda attraversal’interfaccia tra mezzi nei quali si propaga con velocitàdifferente.
Come vediamo
La luce e la materia - rifrazioneV l ità i l t
vetro
Velocità minore nel vetro
Rifrazione:
aria
L if i i ifi d ’ d tt
aria
La rifrazione si verifica quando un’onda attraversal’interfaccia tra mezzi nei quali si propaga con velocitàdifferente.
Come vediamo
La luce e la materia - rifrazione
vetroGli indici di rifrazioneGli indici di rifrazionecambiano con la lunghezzad’onda della luce incidente,per cui luci di colore diverso
aria
saranno deviate di angolidiversi.Questo permette discomporre la luce bianca
ll ti arianelle sue componentimediante un prisma eproduce l’arcobaleno, ma creaanche una aberrazioneanche una aberrazione(difetto) dei sistemi ottici (p.e.obiettivi) detta aber-razionecromatica.
Come vediamo
La luce e la materia - diffrazione
Diffrazione:
Bordi e fenditure di dimensioni paragonabili alla lunghezza d’ondaBordi e fenditure di dimensioni paragonabili alla lunghezza d ondadella radiazione incidente si comportano come nuove sorgenti pun-tiformi.
Come vediamo
La luce e la materia - diffrazione
Come vediamo La luce - colore (dal punto di vista del fisico)
Anche se non esiste unarelazione diretta e
700 nm 400 nm
semplice, il colore chenoi percepiamo dipen-de dalla lunghezza d’on-da della luce.
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)
nero:nero:tutte le lunghezze d’onda sono assorbite
bianco:tutte le lunghezze d’onda sono riflesse
verde:sono assorbite le lunghezze d’onda
arancio:sono assorbite le lunghezze d’onda più
estreme dello spettro
pbrevi
Un oggetto opaco ci appare colorato poiché la sua superficieassorbe alcune componenti della luce che lo raggiunge,riflettendo più o meno intensamente le altreriflettendo più o meno intensamente le altre.
