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Piero Galeotti, Università di Torino Anno internazionale della luce 1

IYL 2015 è un’iniziativa globale che metterà in risalto agli occhi dei cittadini del mondo l’importanza della luce e delle tecnologie ottiche nella loro vita, per il loro futuro, e per il progresso della società.

Nel 1015 circa Alhazen, Ibn al-Haytham (Bassora 965, il Cairo 1040) nel suo “Libro dell’Ottica” descrisse il funzionamento della camera oscura, studiò la struttura dell’occhio e i meccanismi della visione. Nel 1815 Fresnel nel suo libro “Premier mémoire sur la diffraction de la lumiere” sviluppò la teoria ondulatoria della luce, contro quella corpuscolare di Newton, allora generalmente accettata. Nel 1965 Penzias e Wilson osservarono la luce emessa durante il Big Bang, quasi 14 miliardi di anni fa.

Il Sole (1.000.000 di volte più grande della Terra) è stato per miliardi di anni l’unica sorgente di luce sulla Terra.

Il fuoco è una sorgente di luce per l’umanità da poche migliaia di anni.

La lampadina lo è da poco più di un secolo.

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Anno internazionale della luce

Piero Galeotti, Università di Torino

Anno internazionale della luce 4

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Apollo sul carro del Sole condotto da Aurora e seguito dalle Ore

Casino dell’Aurora Pallavicini, Roma Guido Reni, 1614


Prometeo incatenato Nicolas-Sébastien Adam (1762) (Parigi, Louvre)


L’illuminazione a gas (uso del fuoco) delle grandi città europee e americane iniziò nei primi decenni del XIX secolo (a Londra nel 1807, a Parigi nel 1820). In molte città italiane si istallarono lampioni a gas a partire dagli anni 1830. Nel 1935 Cavour si recò a Parigi e a Londra per vedere le officine del gas e rendersi conto di persona dei nuovi metodi di illuminazione stradale. Nell’anno dell’unità di Italia (1861) tutte le principali città italiane avevano l’illuminazione stradale a gas.

Lampione a gas a Bilbao


La lampadina elettricael venne brevettata nel 1875 da Henry Woodward.

Thomas Alva Edison (1847, 1931) nel 1878 riuscì a costruire una lampada a filamento di cotone carbonizzato incandescente di durata abbastanza lunga e, l’anno successivo, venne realizzata l’illuminazione di Menlo Park (USA).

Alessandro Cruto (Piossasco 1847, Torino 1908) costruisce lamine di carbonio (1876) e poi filamenti di carbonio incandescenti (1882).


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La prima lampadina funzionante per lungo tempo venne accesa il 4 Marzo 1880 da Cruto, 5 mesi dopo Edison. Questa lampadina aveva una durata di circa 500 ore, contro le 40 ore delle lampadine prodotte da Edison. Nel 1883 le lampadine di Cruto vengono usate per l’illuminazione pubblica del comune di Piossasco, un anno prima dell’illuminazione con lampade elettriche di Place de la Concorde a Parigi. Ad Alpignano, nel 1885-86, venne costruito uno dei primi stabilimenti per la produzione di lampadine. Aveva 26 dipendenti, pagati 1 lira al giorno, e la produzione giornaliera era di 1000 lampadine

Piero Galeotti, Università di Torino Anno internazionale della luce


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Ippocrate e Aristotele pensavano che l'occhio emettesse raggi per mezzo dei quali potesse “sentire” gli oggetti

Secondo Galeno (II secolo d.c.), l'occhio proietta uno “spirito visuale” per mezzo del quale il mondo esterno viene percepito

Keplero e Cartesio agli inizi del ‘600 svilupparono la conoscenza della rifrazione della luce

Newton (1704) sviluppò una teoria corpuscolare della radiazione, considerando cioè la luce come formata di particelle

Nello stesso periodo Huygens compì una serie di esperimenti che dimostrarono che la luce ha caratteristiche di onda (diffrazione e interferenza)

Piero Galeotti,

Università di Torino 11

La luce deve avere natura ondulatoria


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La luce deve avere natura corpuscolare

Piero Galeotti,

Università di Torino


Piero Galeotti Fisica Sperimentale A, A.A. 2006-07 13

Le particelle hanno le stesse proprietà delle onde (in particolare interferenza e diffrazione) e duplice natura di onda e di corpuscolo (De Broglie, 1924). Sono rivelabili in un punto come corpi materiali, ma la probabilità di rivelarli ha la natura di un’onda.

Esempio: una barca si muova alla velocità costante v = 5 m/s e percorre un fiume in direzione della corrente (nei 2 versi) o in direzione perpendicolare alla corrente. Si ha:

v =5 − 3=2 ms nel verso controcorrente

v =5 + 3 =8 ms nel verso della corrente

v = 52− 32

= 4 ms perpendicolare alla corrente

I tempi di percorrenza (A/R) sono:

tratto verde: t = lv=

100

2+

100

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⎛⎝⎜

⎞⎠⎟= 62,5 s

tratto rosso: t = lv=

200

4= 50 sl = 100m

v = 3 m/s

Piero Galeotti Anno internazionale della luce 16

Esperimento di Michelson-Morley La differenza di cammino ottico

2d2 – 2d1 produce frange di

interferenza tra la luce riflessa dai

due specchi M1 e M2.

Se d2 = d1 le due onde riflesse

giungono in fase all'osservatore.

La Terra ruota su se stessa (v ~ 0,4

km/s), si muove intorno al Sole (v

~ 30 km/s) e il Sole ruota intorno

al centro della Galassia (v ~ 240

km/s). I risultati mostrano che la

velocità della luce rimane costante

lungo ogni direzione.

corrente

di etere

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Si usano tecniche diverse per produrre o rivelare onde elettromagnetiche a differenti lunghezze d’onda.

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Costellazione di Orione


Osservazioni a diverse lunghezze d’onda rivelano dettagli invisibili in ottico

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Nel 1900 Planck propose che la radiazione fosse quantizzata, ossia composta di quanti di energia multipli di un valore minimo ε0 (E = nhν, con n = 1, 2, 3...). La legge proposta da Planck sulla distribuzione energetica della radiazione è data dalla relazione:

Le leggi di Wien

(λmaxT = costante)

e di Stefan

(u = σT4)

sono casi

particolari della

legge di Planck.


Sensibilità

dell'occhio umano


Sorgenti astronomiche con spettro termico

a) Nube fredda galattica in Ofiuco

b) Stella in formazione in Orione

c) Fotosfera solare d) Ammasso di stelle

brillanti nel Centauro

Piero Galeotti,



La luce bianca che attraversa un prisma viene decomposta nei colori che la compongono


L’alba vista dalla stazione spaziale internazionale


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Righe di emissione e di assorbimento hanno lunghezze d’onda caratteristiche del gas che emette o assorbe la radiazione.

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Righe di assorbimento e di emissione nell’atmosfera di una stella


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Nel 1812 Fraunhofer cataloga in dettaglio le righe oscure che attraversano lo spettro solare

Piero Galeotti

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Righe di emissione di alcuni elementi chimici

Piero Galeotti, Università di Torino 32 Anno internazionale della luce

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Abbondanze universali degli elementi

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Nel XIX secolo, prima ancora della nascita della fisica atomica, si sviluppò una nuova tecnica di analisi della luce: la spettroscopia, che consiste nello studio delle righe di assorbimento o di emissione della luce rifratta da un prisma. Vennero così scoperte le principali righe di assorbimento dell'atmosfera solare (le righe di Fraunhofer) e nel 1885 Balmer osservò che le lunghezze d’onda dello spettro dell’idrogeno sono legate tra loro dalla semplice relazione.

Riga n λcalc(nm) λoss(nm)

Hα 3 656.21 656.21

Hβ 4 486.08 486.07

Hγ 5 434.00 434.01

Hδ 6 410.13 410.12

Solo 30 anni dopo Niels Bohr elaborò un modello dell’atomo di idrogeno per interpretare la formula di Balmer.

dove R é la costante di Rydberg

(R-1 = 91,176 nm)

1

λ= R

1

22−

1

n2

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

con n = 3,4,5...

Piero Galeotti 35

La struttura dell’atomo e la scoperta del nucleo è stata ottenuta da Rutherford in un classico esperimento del 1911.

Piero Galeotti 36

• Modelli atomici:

di Thompson….. e di Rutherford (Bohr)

Elettroni

(negativi) Mezzo

atomico

(positivo)

Nucleo

atomico

Sacco pieno di piume:

mpiuma< mproiettile

no retrodiffusione

Sacco pieno di mattoni:

mmattone> mproiettile

retrodiffusione

37 Anno internazionale della luce Piero Galeotti,



L'esperimento di Rutherford, realizzato da Geiger e Marsden, portò alla scoperta dei nuclei.

Rn

ECin =1

4πε

qαqAu

d= 5,3MeV

d =2 ⋅ 79 ⋅ (1,6 ⋅10

−19)2

4π (8.8 ⋅10−12) ⋅5,3

=

= 4,3 ⋅10−14m = 43fm

Dalla legge di conservazione dell'energia si puo calcolare la minima distanza a cui arriva una particella α da un nucleo di Au (1 fm=10-15 m)

Piero Galeotti Fisica Sperimentale A, Fisica atomica, a.a. 2006-07 39

Nel 1913 Bohr propose un modello atomico per l’idrogeno, basato sulle ipotesi che:

• l’elettrone si muove intorno al protone in orbite circolari, • solo alcune orbite sono permesse (per le quali l'elettrone non emette energia), • l’energia viene emessa (o assorbita) quando un elettrone passa da un’orbita a un’altra:

E1 – E2 = ΔE = hν,

• le orbite permesse sono quelle per cui il momento angolare è un multiplo intero di ħ, ossia mevr = nħ.


λn =h

pn=

h

mevndalla relazione di de Broglie (1924)

Ln= m

evnrn=nh

2π= n, da cui m

evn=

nh

2πrn

e dalla quantizzazione del momento angolare

λn=

h

nh2π rn( )

=2πr

n

n, ossia 2πr

n= nλ

nsi ottiene:

La circonferenza dell'n-esima orbita deve contenere esattamente n lunghezze d'onda.


Anche gli elettroni sono sia corpuscoli che onde e, quindi, devono stare a distanze ben precise

dal nucleo dell’atomo.


Onde sonore

Piero Galeotti Fisica Sperimentale A, Fisica atomica, a.a. 2006-07 43

L'atomo di idrogeno


E=hc/λ E=hc/λ

I fotoni della luce sono assorbiti o emessi nei salti di elettroni tra i livelli energetici



U =1

4πε0

q1q2

r=

= −1

4πε0

e2

r

A differenza degli elettroni liberi, quelli legati negli atomi possono assorbire o emettere solo ben determinate frequenze della luce, caratteristiche della sostanza considerata.

da cui Ur = costante


E = hν =hc

λ

Piero Galeotti 47

Le righe spettrali sono allargate per il principio di indeterminazione

ΔE ⋅ Δt ≥

Piero Galeotti Fisica e l'universo, 2008 Introduzione 48

Effetto Doppler La frequenza ricevuta da una sorgente in moto aumenta se la sorgente si avvicina all’osservatore, diminuisce se si allontana

Piero Galeotti

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Allargamento delle righe spettrali per effetto Doppler termico

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Misura della distanza Terra-Luna con un segnale laser inviato da Terra e riflesso da uno specchio sulla Luna.



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Fasi lunari in un periodo sinodico 29 giorni, 12 ore, 44 minuti



Eclissi di luna del 3 marzo 2007

Piero Galeotti 53

Eclissi solare del 20 Marzo 2015 in Italia

Piero Galeotti 54

Piero Galeotti 55

Piero Galeotti 56

Eclissi di Sole

20 Marzo 2015

57 Piero Galeotti, Università di Torino Anno internazionale della luce

Moto di rivoluzione della Terra intorno al Sole

Variazione dei punti di alba e tramonto del Sole nel corso dell’anno

21 dicembre

21 marzo

21 giugno

N

S

E

W Piero Galeotti,


59 Anno internazionale della luce



Eratostene terzo secolo a.C.

Piero Galeotti,


62 Anno internazionale della luce

Le piante sono organismi autotrofi (produttori), ossia organismi che riescono a fabbricare da soli il proprio cibo e molte di esse sono il cibo per diversi animali.

● Gli animali erbivori si chiamano così perché si cibano di vegetali.

Gli animali sono organismi eterotrofi (consumatori), ossia organismi che non sono capaci di produrre il proprio cibo.

● Gli animali carnivori si chiamano così perché si cibano con la carne di altri animali.

● Gli animali onnivori, come l’uomo, mangiano sia vegetali sia altri animali.

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La catena alimentare


Grazie all'energia elettromagnetica (la luce) della radiazione solare tutti i vegetali, attraverso il processo della fotosintesi, riescono a sintetizzare composti organici a partire da sostanze inorganiche, quali:

• anidride carbonica CO2 (presente nell’atmosfera)

• acqua H2O (presente nel terreno)

In sostanza tutta l'energia che alimenta gli esseri viventi non è altro che l'energia proveniente dal Sole che gli organismi vegetali fissano sotto forma di energia chimica nei glucidi (zuccheri).

Piero Galeotti, Università di Torino 64 Anno internazionale della luce

Fotosintesi clorofilliana

6 H2O + 6 CO2 + energia = C6H12O6 + 6 O2

Acqua + Anidride carbonica + luce = Glucosio + Ossigeno

66 Piero Galeotti, Università di Torino Anno internazionale della luce

Se un pianeta extrasolare si pone tra noi e la sua stella, la luce di quest’ultima viene assorbita in corrispondenza delle righe degli elementi chimici che costituiscono l’atmosfera del pianeta

Due cose riempiono il mio animo di ammirazione sempre nuova e crescente: la volta stellata sopra di me e la legge morale dentro di me.

Iscrizione sulla lapide di Immanuel Kant

Könisberg (Kaliningrad)

Critica della Ragion Pratica


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