LE ONDE LUMINOSELE ONDE LUMINOSE

Prof. Feliciano CaponeProf. Feliciano Capone

Riferimenti:Riferimenti:Lezioni del prof. Paolo Zazzini

Uni Salento Piano Laure ScientificheLezioni prof. F. Zampieri

2

La luce è costituita da particelle piccolissime che, penetrando nell’occhio ad alta velocità, provocano la sensazione della visione

Doppia natura della luce:

ONDULATORIA e CORPUSCOLARE

La luce si propaga in linea retta

Spiega la riflessione con la teoria degli urti elastici (conservazione della q.d.m.)

vx vx

vy vy

Non è in grado di spiegare la rifrazione

Teoria corpuscolare (Newton 1643-1727):

Newton ipotizzò una forza di attrazione da parte della superficie di separazione (impulso) sulla luce nel passaggio tra due mezzi a densità crescente (esempio aria-acqua) in modo da aumentare la vy avvicinando il raggio rifratto alla normale alla superficie

Aumento della velocità della luce passando da un mezzo meno denso ad uno più denso

Due secoli più tardi FOUCAULT dimostrò sperimentalmente il contrario !!

vx

vx

vy

vy

aria

acqua

3

Contributo di molti scienziati:

Young, Huygens, Hooke, Fresnel che studiarono interferenza,riflessione e rifrazione, diffrazione

Teoria ondulatoria

Luce costituita da ONDE ELETTROMAGNETICHE: perturbazioni periodiche nel tempo e nello spazio del campo elettromagnetico

Maxwell – 1860 Teoria dell’ELETTROMAGNETISMO

Le onde elettromagnetiche si propagano nel vuoto con la stessa velocità della luce (3x108 m/s)

Suggerendo che questo accordo non fosse casuale, Maxwell sostenne la natura ondulatoria della luceIl modello ondulatorio non spiega tutti i fenomeni

Hertz 1887 - Effetto fotoelettrico – emissione di elettroni da elettrodi bombardati da fotoni, particelle di luce

L’effetto fotoelettrico è spiegabile solo con la natura corpuscolare della luce!!! (Einstein 1905) Si fa strada di nuovo il modello corpuscolare Luce costituita da FOTONI, particelle di massa molto piccola presenti in gran numero in un fascio luminoso, ciascuna con un piccolo contenuto di energia

La teoria quantistica mette d’accordo i due modelli spiegando alcuni fenomeni con il modello ondulatorio (interferenza e diffrazione) ed altri con quello corpuscolare (scambi energetici)

Dagli studi di Foucault si fa strada la teoria ondulatoria

4

Teoria ondulatoria

La luce è una radiazione elettromagnetica caratterizzata da una lunghezza d’onda ed una frequenza .

: lunghezza d’onda = distanza in metri tra due punti allo stesso valore del campo

T: periodo = tempo in secondi che intercorre tra due istanti in cui il campo assume lo stesso

valore

f: frequenza = T –1 : inverso del periodo: numero di cicli nell’unità di tempo (s-1 = Hz)

Nel vuoto:

c = 3 108 m/s.

Un’onda elettromagnetica è una perturbazione del campo elettromagnetico che si propaga in modo periodico nel tempo e nello spazio

 c = / T = f

5

Teoria quantistica: Considerando validi sia il modello corpuscolare che quello ondulatorio e mettendoli d’accordo, permette di valutare il contenuto energetico della luce: L’energia luminosa E che si propaga non è distribuita in maniera uniforme in tutto il fronte d’onda dell’onda e. m. ma in modo discreto, concentrata in alcuni punti secondo quantità discrete di energia, dette quanti:

E = h f h : costante di Plank = 6.55 10 –27 erg sec

ONDE

MECCANICHEOscillazione di un corpo fisico che si propaga in un mezzo (mai nel vuoto!)

CASO PART: onde acustiche (suono)

ELETTROMAGNETICHE

Oscillazione di un CAMPO

corda che vibra

onda elettromagnetica

E

B

x

Bo

Eo

v

7

Lunghezza d’onda delle radiazioni luminose molto piccola (380-780 nm) rispetto alle dimensioni medie dei corpi con cui interagisce

Può essere accettata l’ipotesi di propagazione in linea retta con l’approssimazione grafica dei raggi luminosi

Equazioni di Maxwell:

Forniscono risultati di notevole precisione riguardo al valore del campo elettromagnetico in un punto dello spazio ed in un certo istante di tempo

Tale precisione è eccessiva nel caso dei fenomeni macroscopici riguardanti la luce

Per descrivere i fenomeni luminosi adottiamo il modello ondulatorio con alcune semplificazioni:

Ei = Er + Ea + Et

Ei / Ei = (Er + Ea + Et) / Ei

a : coefficiente di assorbimento = Ea / Ei

r : coefficiente di riflessione = Er / Ei

t : coefficiente di trasmissione = Et / Ei

a + r + t = 1 Ea

Er

Ei

Et

Interazione di una radiazione luminosa con una parete

LA LUCE E L’OTTICALA LUCE E L’OTTICALa luce è un’onda? Cosa c’entra la luce con le onde?

La radiazione luminosa si comporta come un’onda: subisce riflessione, rifrazione, interferenza e diffrazione!

Vibrazione di un campo elettromagnetico

Un campo elettromagnetico ha una frequenza e una lunghezza d’onda .

L’occhio è sensibile ad un certo intervallo di

10

SPETTRO ELETTROMAGNETICO

Al variare della lunghezza d’onda si considerano le varie tipologie di onde elettromagnetiche che, conservando le medesime caratteristiche, si differenziano per gli effetti che producono

380 780

Raggi cosmici

Raggi

Raggi x UV IR Microonde UHF

1 km

Onde lunghe

FINESTRA OTTICARadiazioni visibili

nm

VHF Onde corte

nm 1 nm 1 cm

Violetto Blue Verde Giallo Arancio Rosso

10-6

Le onde visibili occupano un piccolissimo intervallo di lunghezze d’onda (FINESTRA OTTICA) compreso tra 380 e 780 nm all’interno del quale si distinguono le varie componenti cromatiche della luce.

Una miscela omogenea di tutte le componenti cromatiche (spettro uniforme) produce una LUCE BIANCA

Il prevalere di una o più componenti cromatiche sulle altre attribuisce alla luce una particolare TONALITA’ CROMATICA

La luce bianca èd detta ACROMATICA

• Onde Radio: 0.1m<λ<104m usate in comunicazioni radio e tv, prodotte da antenne

• Microonde: 10-4m< λ<0.3m adatte a radar, forni microonde

• Infrared waves: 7 x 10-7 m<λ<1mm, prodotte da corpi caldi sono facilmente assorbite dalla maggior parte dei materiali. Usate in telecomandi ecc.

• Luce visibile: 4 x 10-7 m<λ< 7 x 10-7 m, parte dello spettro cui l’occhio umano è sensibile, corrisponde al minimo assorbimento da parte dell’acqua (ragione evoluzionistica: veniamo dall’acqua). Prodotte da oggetti incandescenti ma anche da transizioni atomiche (LED).

• Luce Ultravioletta: 6 x10-10 m<λ< 4 x 10-7 m, prodotta abbondatemente dal sole, assorbita dall’ozono nella stratosfera

• Raggi X: 10-12 m<λ<10-8 m, prodotti da elettroni decelerati su bersaglio metallico, hanno lunghezza d’onda simile a distanze interatomiche nei cristalli

• Raggi Gamma: 10-14 m<λ<10-10 m, emessi da nuclei radioattivi, alto potere penetrante, molto pericolosi

12

FENOMENO DELLA VISIONE

Determinato da fattori oggettivi:

Intensità della radiazione incidente nell’occhio

e soggettivi:

Sensibilità dell’occhio alle radiazioni visibili CAPACITA’ VISIVE

La radiazione visiva incide sulla CORNEA (membrana trasparente)

La lente elastica retrostante (CRISTALLINO) modifica il raggio di curvatura mettendo a fuoco l’immagine

Sulla retina si produce una immagine rovesciata che viene inviata al cervello dove viene raddrizzata

Le radiazioni incidenti sulla cornea vengono rifratte verso la RETINA dove si trovano i fotoricettori concentrati nella FOVEA

Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

13

I fotoricettori sono CONI e BASTONCELLI, 126 x 106 cellule nervose sensibili alla luce

Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

I BASTONCELLI (120 x 106) più numerosi e più sensibili

Responsabili della visione notturna (SCOTOPICA) caratterizzata da valori molto bassi dell’energia luminosaI CONI (6 x 106) molto meno numerosi e meno sensibili

Responsabili della visione diurna (FOTOPICA) caratterizzata da valori molto più elevati dell’energia luminosaLa percezione dei colori è possibile solo con la visione FOTOPICA

I CONI sono di tre tipi: ROSSI, VERDI, BLUE (colori fondamentali)

Ciascuna tipologia contiene fotopigmenti sensibili a diverse lunghezze d’onda

La ricezione dell’immagine da parte di coni e bastoncelli avviene per scomposizione chimica in conseguenza della quale impulsi nervosi vengono inviati al cervello

I centri encefalici preposti decodificano il messaggio ricevuto interpretandolo e raddrizzando l’immagineL’occhio umano è sensibile alla potenza radiante entrante e non all’energia come una pellicola fotografica

Un fascio luminoso entrante su una pellicola la impressiona in funzione dell’apertura dell’obiettivo e del tempo di esposizione (energia) al contrario l’occhio rimane costantemente allo stesso grado di sensibilità che ha all’istante iniziale della percezione visiva

14Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

La sensibilità dell’occhio che determina le capacità visive dell’individuo è funzione QUALITATIVA e QUANTITATIVA della lunghezza d’onda incidente

La sensibilità QUALITATIVA consente di distinguere le tonalità cromatiche delle varie radiazioni

La sensibilità QUANTITATIVA comporta una reazione più o meno intensa alle varie lunghezze d’onda:

Per avere la stessa sensazione visiva sono necessarie potenze radianti diverse alle diverse lunghezze d’ondaLa sensibilità è MASSIMA al centro dello spettro (555 nm in visione fotopica e 510 nm in

visione scotopica ) e minima ai lati

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

m

v()

0.4 0.70.51 0.55

FotopicaScotopica

VISIBILITA’ V()

Massima al centro e minima ai lati serve a misurare la capacità visiva dell’occhio

Coefficiente di VISIBILITA’

v() = V() /Vmax

Varia da 0 (a 380 e 780 nm) a 1 (al centro dello spettro)

Sorgenti di radiazione luminosa

“Ogni corpo a temperatura T emette radiazione elettromagnetica a diversa (legge di Planck)”

SorgentiSorgenti

Primarie = corpi che emettono luce propria

Secondarie = corpi che emettono luce riflessa

Corpi colpiti da radiazione luminosa

I corpi colpiti dalla radiazione luminosa si possono comportate in maniera differente:

CorpiCorpi

Trasparenti = corpi che lasciano passare la luce al loro interno (acqua, vetro, ..)

Opachi = corpi che fermano la luce al loro interno, assorbendola (terra, legno, …)

Traslucidi = corpi che lasciano passare la luce ma non permettono di distinguere gli oggetti attraverso di essi (carta, vetro,…)

PROPAGAZIONE DELLA LUCE

In molti casi la propagazione è rettilinearettilinea

La velocità della luce

Sembra che v = , propagazione istantanea (Galileo)

ROEMER (fine 1600): velocità finita anche se molto grande (eclissi Io)

FIZEAU (fine 1800): misura v luce con un esperimento

c = 299.792.458 m/s = 3,0 108 m/s