FENOMENI OTTICI

Quando un'onda incontra un ostacolo la sua traiettoria di propagazione può essere deviata, si possono avere fenomeni (anche sovrapposti) di:

Riflessione Rifrazione Diffusione Diffrazione Interferenza

Tutti questi fenomeni vengono utilizzati nelle tecniche di analisi spettroscopiche

RIFLESSIONE

La riflessione è il fenomeno per cui un'onda, quando colpisce l'interfaccia tra differenti mezzi, cambia direzione e torna nel mezzo di provenienza.

La lunghezza d'onda dell'onda riflessa è uguale a quella incidente

RIFLESSIONE

Se la superficie è liscia, cioè le scabrosità sono trascurabili rispetto alla lunghezza d'onda, la riflessione è speculare:

LEGGI DELLA RIFLESSIONE

Il raggio incidente, il raggio riflesso e la normale alla superficie di riflessione giacciono sullo stesso piano,

L'angolo di incidenza è uguale a quello di riflessione,

Il raggio incidente e quello riflesso sono su lati opposti rispetto alla normale.

RIFLETTANZA

La riflettanza è il rapporto tra l'intensità della radiazione riflessa e quella della radiazione incidente

R% = I ·100 I0

La spettroscopia di (o in) riflettanza trova applicazioni nel controllo qualità di materie prime, prodotti finiti (p.es. cere per pavimenti, detersivi) e nell'analisi della superficie dei dipinti.

RIFRAZIONE

La rifrazione è la deviazione subita da un'onda quando passa da un mezzo ad un altro, nel quale la sua velocità di propagazione cambia; poichè la frequenza rimane costante cambia la λ.

RIFRAZIONE

Quando il raggio passa da un mezzo meno denso ad uno più denso (p.es dall'aria all'acqua, oppure al vetro) l'angolo di rifrazione r è minore dell'angolo di incidenza i, invece quando passa da un mezzo più denso ad uno meno denso, il raggio si allontana dalla normale:

RIFRAZIONE

Si definisce indice di rifrazione assoluto il rapporto tra la velocità della luce nel vuoto e quella nel mezzo considerato:

n = c v

Poiché c è sempre maggiore di v l'indice di rifrazione assoluto è sempre >1

L'indice di rifrazione dipende dalla λ della radiazione incidente, dalla temperatura e (per i gas) dalla pressione.

LEGGI DELLA RIFRAZIONE

Il raggio incidente, quello rifratto e la normale alla superficie di separazione dei due mezzi giacciono sullo stesso piano

Il rapporto tra i seni dei due angoli è costante qualunque sia l'angolo di incidenza e dipende soltanto dai due mezzi in cui la luce passa:

sen i = v1 = n2

sen r v2 n1

dove v1 e v2 sono le velocità della luce nei due mezzi e n1 e n2 i loro indici di rifrazione assolutiUna regola di carattere qualitativo per determinare la direzione della rifrazione è che il raggio luminoso è sempre più vicino alla normale dal lato del mezzo più denso.

RIFRAZIONERiflessione totale: nel passaggio da un mezzo più rifrangente ad uno meno rifrangente (p.es. dall'acqua all'aria) esiste un angolo limite oltre il quale il raggio non riesce più a penetrare nel mezzo meno rifrangente e viene completamente riflesso:

RIFRAZIONELa dipendenza della rifrazione dalla λ viene sfruttata per realizzare la dispersione della luce (cioè la separazione delle componenti monocromatiche della luce bianca) tramite un prisma

Le radiazioni vengono a via a via più deviate passando dal rosso (minore frequenza) al violetto (maggiore frequenza)

Il prisma è quindi un buon dispositivo monocromatore.

RIFRAZIONE

La rifrattometria è una tecnica di analisi basata sulla determinazione dell'indice di rifrazione, ha molteplici applicazioni, p.es. viene utilizzata per: Stabilire il contenuto zuccherino di succhi alimentari Stabilire il grado alcolico di soluzioni idroalcoliche Caratterizzare oli e grassi Analisi delle urine e del sangue Analizzare minerali e gemme

DIFFUSIONEIn fisica la diffusione ottica (o dispersione), scattering in inglese, si riferisce a un'ampia classe di fenomeni in cui onde o particelle vengono deflesse (ovvero cambiano traiettoria) a causa della collisione con altre particelle. La deflessione avviene in maniera disordinata e in buona misura casuale (il significato letterale di scattering è "sparpagliamento") e per questo la diffusione si distingue dalla riflessione e dalla rifrazione, che invece cambiano le traiettorie in maniera regolare e determinata.

DIFFUSIONELa diffusione può presentarsi anche insieme alla riflessione, se le scabrosità della superficie non sono trascurabili rispetto alla λ della luce incidente

In questo caso si parla di riflessione diffusa:

DIFFUSIONE

In base alle dimensioni delle particelle incontrate si possono avere differenti tipi di diffusione, p.es.:

Diffusione di Rayleigh

Diffusione di Mie

Diffusione (o effetto) di Tyndall

DIFFUSIONE DI RAYLEIGH

Se le particelle hanno dimensioni molto più piccole (< 1/10) della λ della luce incidente la diffusione è isotropa ( avviene con uguale intensità in tutte le direzioni).

L'intensità della luce diffusa è proporzionale alla quarta potenza della frequenza della radiazione le frequenze maggiori sono diffuse con maggiore efficienza, è questo il motivo per cui il cielo appare azzurro:

DIFFUSIONE DI MIE Se le particelle hanno dimensioni > 1/10 della λ della luce incidente la diffusione dipende di meno dalla lunghezza d'onda.

Le goccioline d'acqua diffondono tutte le lunghezze d'onda della luce visibile con intensità circa uguale e le nuvole e la nebbia quindi appaiono bianche o grigie.

DIFFUSIONE DI TYNDALL

Per particelle ancora più grandi, come quelle dei sistemi colloidali, delle sospensioni e delle dispersioni fini, l'intensità della luce diffusa dipende dalla frequenza della luce incidente come nella diffusione di Rayleigh la componente blu è diffusa meglio:

farina sospesa in acqua

DIFFUSIONE

I fenomeni di diffusione sono alla base di due tecniche analitiche, utilizzate perlopiù nella determinazione di solidi e oli dispersi nelle acque e nell'aria, ma anche in biologia per lo studio di colture batteriche o per la determinazione della massa molare di macromolecole:

La turbidimetria in cui si misura la luce diffusa davanti al campione, La nefelometria in cui si misura la luce diffusa a 90° rispetto alla direzione della luce incidente.

DIFFRAZIONE

Il termine diffrazione si riferisce ai fenomeni, che avvengono quando un'onda incontra un ostacolo o una fenditura, che abbia dimensioni simili alla sua λ: in accordo con il principio di Huygens-Fresnel ogni punto della fenditura diventa, a sua volta, una sorgente di onde che si propagano in tutte le direzioni dello spazio:

DIFFRAZIONELe onde, quindi, aggirano gli ostacoli, se hanno dimensioni dello stesso ordine di grandezza della loro λ

DIFFRAZIONEEffetto della diffrazione delle onde sui frangiflutti a Campo di Mare (Brindisi)

INTERFERENZA

Se le onde passano attraverso due (o più) fenditure all'uscita si avrà interferenza, con formazione di zone in cui le onde si sommano o si annullano:

INTERFERENZA

L'interferenza propriamente riguarda l'interazione tra onde e non tra onde e materia

INTERFERENZA

L'interferenza è un comportamento tipico dei fenomeni ondulatori: quando due o più radiazioni monocromatiche percorrono lo stesso mezzo nella stessa direzione possono verificarsi tre casi:Le onde sono in concordanza di fase (rafforzamento), aumentano ampiezza ed intensitàLe onde sono in opposizione di fase (interferenza totale),non c'è onda finaleNel caso intermedio l'onda finale ha un'ampiezza A, che si ottiene dalla somma algebrica delle due ampiezze ed è sempre minore della somma di quelle d'origine

INTERFERENZA

INTERFERENZAL'interferenza è utilizzata in spettrofotometria sia come tecnica analitica sia perché consente di ottenere monocromatori

L'interferometria trova applicazione in molti campi di ricerca, in particolare in astrofisica: lo studio delle frange di interferenza consente di misurare lo spostamento di corpi celesti e di studiare i pianeti extrasolari

FINE