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

Fisica 24 ore

Onde …

Fisica 24 ore

… onde elettromagnetiche

Fisica 24 ore

• 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

Fisica 24 ore

la lunghezza d’onda delle onde e.m. varia su un intervallo estremamente grande

esempio: onde radio (λ~100m) …… raggi γ (λ~10-14m)

Fisica 24 ore

l’occhio umano èsensibile a un intervallo strettissimo dello spettro delle onde elettromagnetiche

luce visibile

Fisica 24 ore

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)

Fisica 24 ore

Fisica 24 ore

è possibile vedere al buio?

sì, usando gli intensificatori di luce

sfruttano • effetto fotoelettrico• emissione secondaria• catodoluminescenza

Fisica 24 ore

come funzionano?

effetto fotoelettrico

catodo-luminescenza

emissione secondaria:moltiplicazione degli

elettroni

Fisica 24 ore

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

Fisica 24 ore

E(λ)

λ(nm)

sorgente: Sole

corpo nero (~6000K)

sensibilità occhio

Fisica 24 ore

• 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

Fisica 24 ore

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

Fisica 24 ore

…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

Fisica 24 ore

… da animali…

Fisica 24 ore

…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…

Fisica 24 ore

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

Fisica 24 ore

…anche altri fenomeni e meccanismi danno luogo al colore …

fenomeni dell’ottica geometrica • riflessione• rifrazione

Fisica 24 ore

fenomeni dell’ottica fisica

diffusione della luce (mezzi torbidi)

Fisica 24 ore

meccanismi a livello atomico: impurezze

assorbimento (trasmissione)fluorescenza (indotta da UV)

Fisica 24 ore

interferenza

• libellule• bolle di sapone• orecchia di mare (haliotis)

mimetica: materiali a resistenza meccanica elevatissima

Fisica 24 ore

fenomeni dell’ottica fisica come causa del colore

interferenza in strati (film) sottili

Fisica 24 ore

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)

Fisica 24 ore

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

Fisica 24 ore

fenomeni dell’ottica fisica responsabili del colore

diffrazione

reticolo di diffrazione

reticolo di diffrazione bidimensionale: la tela

dell’ombrello

Fisica 24 ore

compact disc al microscopio ottico: 200X

colore per diffrazioneCD al SEM (2000X)

CD al SEM (5000X)

Fisica 24 ore

colore per diffrazione

ala della farfalla Morpho

Fisica 24 ore

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.’

Fisica 24 ore

Opale (SiO2·nH2O): reticolo tridimensionale con d~250nm

Fisica 24 ore

Cristalli fotonici

Fisica 24 ore

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.

Fisica 24 ore

antenna di gamberetto

Fisica 24 ore

Fisica 24 ore

da un frammento fossile (515 milioni di anni) di ‘reticolo di diffrazione’ di una setola di Canadia spinosaricostruzione della foto (!?) a colori dell’animaletto

Fisica 24 ore

diffrazione di raggi X …

… utilizzata per lo studio delle strutture cristalline

Fisica 24 ore

berillo eliodoroBe3Al2Si6O18

diffrattogramma del cristallo modello teorico

Fisica 24 ore

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….

Fisica 24 ore

molecola dell’aria

Sole

prevale il rosso

prevale il blu

luce incidente

particelle: piccole medie grandi

colore per diffusione

Fisica 24 ore

colore per diffusione: il fumo appare …

• azzurrino contro uno sfondo scuro• rossastro contro uno sfondo luminoso

Fisica 24 ore

fumo…

… fumo congelato? aerogel di silice!

Fisica 24 ore

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

Fisica 24 ore

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

Fisica 24 ore

Colore per diffusione della luce in vetri

nanoparticella

Coppa di Licurgo (IV sec. d. C.)

Romani iniziatori delle nanotecnologie??

Fisica 24 ore

nano-cristalli di CdSe con dimensioni diverse

• illuminati con radiazione UV• emettono fluorescenza di differenti colori → laser

Fisica 24 ore

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.

Fisica 24 ore

colore da impurezze…

dalle pietre preziose ai laser a stato solido…

Fisica 24 ore

… 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

Fisica 24 ore

il rubino se illuminato con radiazione UV emette un’intensa fluorescenza rossa

in luce naturale sotto luce UV

Fisica 24 ore

… nei rubini artificiali la fluorescenza è utilizzata come emissione laser

Fisica 24 ore

Laser a rubino

Fisica 24 ore

… 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

Fisica 24 ore

… ma anche laser a gas: laser ad Argon con emissione a diverse lunghezze d’onda

Fisica 24 ore

generazione di seconda armonica (SHG)

cristalli di KTP per SHG SHG da cristalli di KLN

SHG da diodo lasercon fibra ottica di LiNbO3