Post on 15-Jan-2020
Fisica 24 ore
Rosanna CapellettiDipartimento di Fisica – Università di Parma
Fisica 24 ore
ottica integrata (laser e fibre ottiche)nanostrutture e nanotecnologiemimetica di strutture naturali
onde elettromagnetiche
luce visibile
ottica geometrica ottica fisica
modelli microscopici
colori nella (e nell’arte)
suggerimenti per mezzo della scienza alla
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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
• c=velocità della luce• nel vuoto: c=3×108m/s
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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 èsensibile 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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è possibile vedere al buio?
sì, usando gli intensificatori di luce
sfruttano • effetto fotoelettrico• emissione secondaria• catodoluminescenza
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come funzionano?
effetto fotoelettrico
catodo-luminescenza
emissione secondaria:moltiplicazione degli
elettroni
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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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E(λ)
λ(nm)
sorgente: Sole
corpo nero (~6000K)
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 λ =195Ǻ λ =304Ǻ
luce bianca non filtrata riga Hα : λ =6563Ǻ λ =1089nm λ =1.7cm
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è possibile vedere al buio?è possibile vedere nell’infrarosso?
Macedonio Melloni (Parma 1798 – Napoli 1854) per primo misurò e studiò l’infrarosso…
sì, usando gli intensificatori di lucesì, usando videocamere sensibili all’IR
sfruttano l’emissione termica (tipo corpo nero) di persone e oggetti
E(λ)
λ(nm)
visibile radiazione termica (300K)
λ(nm)103 104 105
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…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… … tazze con caffè caldo…
… da circuiti elettronici per rivelare malfunzionamenti…
… pneumatico……shuttle al rientro: i pannelli ceramici protettivi si scaldano per attrito con l’atmosfera…
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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 • riflessione• rifrazione
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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 nano-strutturati 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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compact disc al microscopio ottico: 200X
colore per diffrazioneCD al SEM (2000X)
CD al SEM (5000X)
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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 beetlePachyrhynchus argus.• 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 artefactof 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.
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antenna di gamberetto
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da un frammento fossile (515 milioni di anni) di ‘reticolo di diffrazione’ di una setola di Canadia spinosaricostruzione 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 eliodoroBe3Al2Si6O18
diffrattogramma del cristallo modello teorico
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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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molecola dell’aria
Sole
prevale il rosso
prevale il blu
luce incidente
particelle: piccole medie grandi
colore per diffusione
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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+ nelcorindone
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il rubino se illuminato con radiazione UV emette un’intensa fluorescenza rossa
in luce naturale sotto luce UV
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… 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
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generazione di seconda armonica (SHG)
cristalli di KTP per SHG SHG da cristalli di KLN
SHG da diodo lasercon fibra ottica di LiNbO3