Introduzione 1

Per Ottici ed Optometristi(A.A. 2009-10)

Prof. M. De Seta

È la scienza che si occupa della produzione e della

propagazione della luce, degli effetti che produce e degli

altri fenomeni correlati con la luce stessa.

Più in generale si occupa non solo della luce visibile, ma

anche di tutte le radiazioni elettromagnetiche

Perchè studiare l’ottica?La maggior parte di voi la utilizzerà come strumento di lavoro, ma vi sono moltealtri fenomeni che possono essere osservati ogni giorno e che vengono spiegatifacilmente con le leggi dell’ottica.

Introduzione 4Perch é la rosa è rossa?

La luce sipropaga SEMPRE

in linea retta ?

Che cosa produce l’arcobaleno ?

Come funziona un lettore CD?

Come ci arrivano le immagini da Marte?

Quanto possiamo ingrandire gli oggetti per vedere cose piccole e lontane?

cristallino

globuli rossi

Giove e la sua luna Io

saturno

I laser, le fibre ottiche, i collegamenti WiFi stanno giàsostituendo molti dei cavi metallici.

L’evoluzione delle conoscenze porta anche a importanti progressi tecnologici!!!!

Il comunicato stampa che annuncia il premio Nobel per la Fisica 2009 ha un titolo decisamente azzeccato: "Masters of Light ", i Signori della Luce. Scienziati in grado di imbrigliarla e farla viaggiare per centinaia di chilometri e capaci di raccoglierla, trasformarla in segnale elettrico e ricostruire con essa delle immagini.

Stiamo parlando di Charles K. Kao e di Willard S. Boyle e George E. Smith : il primo ha riceuto il premio per i suoi innovativi passi avanti nel campo della trasmissione della luce nelle fibre ottiche , i secondi due per l'invenzione del sensore CCD .

Premi Nobel per la Fisica 2009

12

Storia e evoluzione dell’ottica

PropagazioneRettilinea,

Le leggi della riflessione(Catottrica)

5000 a.C. – 1000 d.C.(Gli antichi)

Mesopotamia, Egitto, India

5000 a.C.

Pitagora

570-500 a.C.

Platone427-347 a.C.

Aristotele384-322 a.C.

Euclide

325-265 a.C.

Ottica nellaStoria Antica

Uno specchio è stato scoperto

vicino alla tomba del FaraoneSesostris II (1900 a.C.).

Grecia Antica (500-300 a.C.)Specchi ustori menzionati da Aristofane (424 a.C.)Leggi della riflessione: “Catottrica” da Euclide (300 a.C.)Rifrazione nell’acqua menzionata da Platone nella “ Repubblica”

Ma essi pensavano che fosse l’occhio ad emettere raggi chevenivano riflessi dagli oggetti.

Piramide di Sesostris II(conosciuto anche come

Senusret II)

Greci Antichi: Le prime armi a luce

Gli storici greci e romani riportano che

Archimedeequippaggiò centinaiadi soldati con specchi

metallici per focalizzare la luce del

Sole sulle navi romanenella battaglia di

Siracusa (213 -211 a.C.).

Questa storia è probabilmente apocrifa.

Ottica nel Medio Evo: Alhazen

Alhazen correttamente propose chegli occhi ricevono passivamente la luce riflessa dagli oggetti, piuttostoche siano loro stessi ad emanareraggi luminosi.

Egli spiegò anche le leggi dellariflessione e della rifrazione con ilrallentamento della luce quandoattraversa sostanze più dense.

Lo scienziato arabo Alhazen (~1000 d.C.) studiò glispecchi sferici e parabolici.

Leggi dellaRifrazione(Diottrica )

1200-1650

Formazione delleimmagini

(Regole empiriche)Occhiali13 secolo

Microscopioa due lenti

Hans Jansen(Olanda)1590-1608

Descartes, Fermat(Francia)

1637 Snell(Olanda)

1621

TelescopiGalileo Galilei

(Italia)1609

Ottica in Europa nel primo 1600

Hans Lippersheychiese un brevetto sultelescopio Galileianonel 1608.

Galileo (1564-1642) neutilizzo uno per osservare la luna ed i satelliti di Giove.

Due telescopi di Galileo.

Disegno di Galileo della Luna

Johannes Kepler

Scopre la riflessione totale interna

Spiegò il funzionamento del telescopio

Sviluppò un teoria approssimataal primo ordine dell’ottica geometrica Johannes

Kepler (1571–1630)

Willibrord Snell

Willibrord Snell scoprì le leggi della Rifrazione (Leggidi Snell).

Willibrord Snell (1591-1626)

n1

n2

θ1

θ2

1 1 2 2sin( ) sin( )n nθ θ=ni è l’indice di rifrazione diciascun mezzo.

Ottica nel secolo XVII

Robert Hooke (1635-1703) studiò l’interferenza coloratatra due film e sviluppò la prima teoria ondulatoria dellaluce.

René Descartes (1596-1659)

Cartesio pensava che la lucedovesse comportarsi come ilsuono. Egli quindi propose un modello in cui la luce producevavariazioni di pressione in un mezzo (etere).

InterferenzaDiffrazioneDispersioneVelocità luce

(Ottica ondulatoria)

1650-1850

Grimaldi(Italia)

Diffrazione

1665

Fresnel (Francia)1788-1827

Young (Inghilterra)1801

Confermano ilconcetto di onda

Huygens(Olanda)

Introduce ilconcettodi onda

1629-1695

Newton(Inghilterra)

ConcettoCorpusculare

1643-1727

Roemer(Danimarca)

Velocitàdella luce

1676

Bartholin(Danimarca)

DoppiaRifrazione

1669

ChristiaanHuygens

Huygens sviluppò la teoriaondulatoria

dell’ottica.

Realizzò che la velocità della lucevaria in un mezzo denso.

Spiegò I fenomeni dellapolarizzazione

E della doppia rifrazione.

Doppia rifrazione

Christiaan Huygens (1629-1695)

Isaac Newton

"I procured me a triangular glass prism to try therewith the celebrated phenomena of colours." (Newton, 1665)

Isaac Newton (1642-1727)

Ottica del 18mo e 19mo secolo :Euler, Young e Fresnel

Leonhard Euler (1707-1783) sviluppò ulteriormente la teoriaondulatoria e disegnò lenti acromatiche combinando differentimateriali.

Augustin Fresnel

Thomas Young (1773-1829) spiegòl’interferenza e le frange colorate e dimostrò che la luce era una ondatrasversa.

Augustin Fresnel (1788-1827) feceesperimenti per confermare la teoriaondulatoria e derivò le espressioni per le onde riflesse e trasmesse.

Teoriaelettro-magnetica

della luce e della suainterazione con

la materia

1850-1900Faraday (Inghilterra)Concetto di campo,Rotazione dellaPolarizzazione in campoMagnetico 1848

Maxwell (Scozia)Equationi del

Campo EM1864

L’Rau (Francia)DispersioneАnomaladn / dλλλλ >>>> 01862

Кunge (Germania)Interrelazione tra

Assorbimento e Dispersione

1872

Lebedev (Russia)Pressione della luce

(Misura diretta)1899

Lorentz (Olanda)Approfondiscela teoria1897

Rayleigh (Inghilterra)Diffusione

da Oscillatori1871

Zeeman (Olanda)Splitting

1896

Drude (Germany)Helmholtz (Germany)Lorentz (Holland)Oscillatori-Atomi1896

Selmeire (Germania) Oscillatori in campo EM

1872

Hertz (Germania)(v=с) 1888

James Clerk Maxwell

James Clerk Maxwell (1831-1879)

Maxwell unificò elettricità e magnetismo con le sue famoseequazioni e dimostrò che la luceè una onda elettromagnetica.

Planck ( 1900)Einstein (1905 , 1917)

Stokes (Inghilterra)Red Shift della luce

diffusa1850

TeoriaTeoria quantisticaquantisticadelladella luceluce: la : la luceluce èè compostacompostadada““ quantiquanti”” didi energiaenergiahhνννννννν: i : i fotonifotoni

Hertz (Germania)Stoletov (Russia)

Effetto fotoelettrico1887-1888

InterpretazioneInterpretazionedeglidegli esperimentiesperimenti::

Mandelstamm, Landsberg (USSR)Raman (India)

Raman Scattering1928

Compton (USA)Diffusione di

Raggi X1922

• I FOTONI hanno caratteristiche ondulatorie (la frequenza) e si comportano come particelle

E=hνννν

1905 Einstein

Young, Fresnel, Arago,Fizeau, Lorentz

Teoria dell’Etere

RelativitRelativitàà ristrettaristretta

Michelson, Morley(Germany, USA)

1881, 1887

CompletamentoCompletamentodelladella teoriateoria classicaclassica

Vavilov, Cherenkov, Frank, Tamm (USSR)

1937

Gabor (Hungary) 1948Denisyuk () USSR1962

Olografia

“La Luce è, in breve , la più raffinataforma della materia .”

Louis de Broglie

Come si studia oggi l’ottica?

Se si ignorano gli effetti quantistici

Ottica quantistica

Elettrodinamicadi Maxwell

Se si trascura la emissione di radiazioni

Ottica ondulatoria

Se si ignorano fenomeni come diffrazione, interferenza e polarizzazione

Ottica geometrica

Ottica lineare

Se si ignorano le aberrazioni

Ottica di Gauss

Se si assume simmetria rotazionale e raggi parassiali

A seconda del problema che si vuole affrontare si usano approssimazioni e approcci diversi in modo che la descrizione del fenomeno sia più semplice ma adeguata:

Cosa studieremo in questo corso?

Onde elettromagnetiche

Ottica geometrica

Ottica di Gauss

Immagini di lenti, specchi,sistemi ottici

Studio delle aberrazioni

Ottica Fisicarifrazione e riflessione

Ottica ondulatoria

interferenza diffrazione

Equazioni di Maxwell

Proprietàdelle onde

Lezioni in classe con uso di diapositive e esercizi alla lavagna

Campo elettrico e magneticorichiami dal corso di Fisica

Per ogni capitolo vengono indicati riferimenti ai libri Halliday, Resnick, Walker: “Fondamenti di Fisica” (ed. Ambrosiana)Sears: Ottica (ed. Ambrosiana)

OndeOnde trasversali e longitudinali, Onda piana, forme d’onda, ondesinusoidali, teorema di Fourier.(H.R.W cap. 16)

Onde elettromagnetiche.Corrente di spostamento e Equazioni di MaxwellDalle equazioni di Maxwell alle onde E.M.Energia trasportata da un' onda e.m. Vettore di PoyntingClassificazione delle onde, Spettri del visibile, colori, misura della velocitàdella luce H:R:W Cap 32 par.1-6, 33 par 1-7

35

Ottica geometrica.Leggi della riflessione e della rifrazione. Angolo limite, riflessione totale, Approssimazione di Gauss, Sorgente e immagine, Specchi, Diottro sferico, Vergenza della luce e potere diottrico, Lenti sottili, Lenti spesse, equazionidelle lenti, Strumenti ottici, Aberrazioni Dispersione della luce. (Sears: Cap1-5, Cap.6 cenni)

Interferenza e diffrazione.Interferenza. Sorgenti coerenti. Diffrazione e principio di Huyghens. Diffrazione di Fraunhofer da una fenditura semplice e doppia. Esperienza diYoung. Potere risolutivo di una fenditura e criterio di Rayleigh. Reticolo didiffrazione.(H.R.W. Cap. 35-36 o Sears Cap. 8-9)

Verso la fisica quantistica.Interazione radiazione materia, Effetto fotoelettrico, lo spettro di corpo nero .spettri a righe. (Sears Cap. 12 par 1-5),

Unità di misura.Potenza ed energia, unità di misura radiometriche e fotometriche, sorgentidi onde elettromagnetiche(Sears Cap. 13)

L’ importanza di frequentareLa frequenza non è obbligatoria, tuttavia è convenientefrequentare le lezioni, dato che ci sono molte nozioni che non possono essere messe nelle slides di Power Point che sononecessariamente schematiche.Durante il corso verranno prese per 6 volte le frequenze in modo casuale. Coloro che sono risultati assenti tre o più volteverranno penalizzati nella convalida dello scritto.

Le slides saranno disponibili sul sito web qualche giorno prima della lezione

http://webusers.fis.uniroma3.it/~meso/didattica.htmlUsername: lfts

Password: didattica

Regole per l’esame:

La sessione estiva si svolge in due appelli distinti, uno a giugno, l’altro a luglio.L’esame consiste in:• una prova scritta contenente domande a risposta multipla e semplici esercizi • una prova orale.

Gli studenti che ottengono una votazione allo scritto ≥15 possono fare l’esame orale (eventualmente anche nel successivo appello all’interno della stessa sessione) oppure verbalizzare il voto se questo è ≥ 23 e hanno frequentato il corso.

NON E’ POSSIBILE TENERE LO SCRITTO PER UNA SESSIONE DI ESAME SUCCESSIVA

Testi consigliati

• Halliday, Resnick, Walker: “Fondamenti di Fisica” (ed. Ambrosiana) • Sears: Ottica (ed. Ambrosiana)

• Trasparenze del Corso

NON vogliono e NON possono sostituire il libro,ma devono essere considerate come un utile

indicazione per le parti che devono essere

maggiormente approfondite.

(Occhio a possibili errori! Ogni segnalazione è benvenuta!)

Introduzione 39

Gli stessi argomenti possono esseretrovati anchein vari altri libri…

Introduzione 42

Monica De SetaTel. 0657333430e-mail: deseta@fis.uniroma3.it

Studio: Laboratorio di Fisica e Tecnologia dei Semiconduttori (ex OMI)

Orario lezioni

Lunedi Martedi Mercoledi Giovedi VenerdiOra

11:15 - 13:004

OraAula

11:15 - 13:004

Orario Ricevimento: dopo le lezioni o su appuntamento