2 - LA LUCE
S'intende per luce, in senso
stretto, quel fenomeno fisico elettro - magnetico che impressiona
il nostro occhio, dandoci la sensazione della visione.
Le
onde elettromagnetiche si manifestano come raggi gamma,
raggi X, raggi ultravioletti, luce, raggi infrarossi,
onde radio, a seconda della frequenza e del
contenuto energetico dei fotoni o dei quanti. Esiste un
rapporto costante tra i quanti di energia raggiante e
frequenza delle onde, questo rapporto è detto
Costante di Planck:
h = (6,62377 +
0,00018) * 10-34
J/Hz
Il valore della velocità della luce nel
vuoto (indicato con la lettera c) attualmente
riconosciuto e accettato (ricavato come media di misure
eseguite con tecniche diverse) è:
c = (299 792,4562 +
0,001112) km/s , approssimato a c
= 3OOOOOkm/s = 3 108m/s.
Un corpo che emetta luce si rende
visibile e si chiama sorgente luminosa. I
corpi che ricevono la luce si dicono illuminati.
Quando la luce incontra un corpo,
avvengono vari fenomeni: una parte della luce è rinviata
indietro in una sola direzione, secondo certe leggi di
cui parleremo più avanti, e si dice 1uce riflessa; una
parte torna indietro in tutte le direzioni e si dice luce
diffusa; una parte penetra nel corpo e si dice luce
rifratta; una parte della luce rifratta viene
trattenuta dal corpo e si dice 1uce assorbita. Questi
fenomeni avvengono tutti contemporaneamente; noi, per
comodità li studieremo separatamente, anche perché
generalmente di tutti questi fenomeni c'è uno che
prepondera su gli altri.
Locchio è colpito direttamente o
indirettamente dalle radiazioni elettromagnetiche, di
queste solo quelle con lunghezza donda compresa tra
400nm e 700nm determinano il maggior effetto; per
lunghezze donda maggiori o minori, cioè tra 360nm
e 1000nm leffetto è insignificante e in
particolari condizioni.
2.1 - Sorgenti di luce
Sono sorgenti di luce tutti i
corpi che brillano di luce propria; il sole è una
sorgente di luce naturale, sono sorgenti
artificiali tutte le sostanze riscaldate a una
temperatura superiore agli 800 0C o alcune che
percorse da corrente emettono luce. Il colore della luce
emessa da queste sorgenti dipende dalla temperatura: man
mano che questa cresce si passa da un colore rosso al
giallo e infine al bianco.
Esaminando il colore della luce emessa da
queste sorgenti si può risalire alla temperatura della
sorgente; per esempio, analizzando il colore della luce
emessa dalle stelle si ricava la loro temperatura; dalla
luce emessa dal Sole è stata calcolata una temperatura
superficiale di circa 6000 0C.
La luce che riceviamo da questi corpi è
detta diretta, perché proviene direttamente dalla
sorgente. Spesso, però, la luce ci arriva indirettamente
attraverso la riflessione e la diffusione da corpi
illuminati che non emettono luce. Questi corpi illuminati
in parte riflettono ed in parte assorbono, in percentuale
variabile, in base al colore, la luce che ricevono dalla
sorgente; i corpi scuri assorbono la maggior parte
della luce, mentre quelli chiari riflettono e diffondono
in percentuale alta la luce.
I corpi trasparenti sono quelli
che si lasciano attraversare dalla luce permettendo di
vedere gli oggetti che si trovano dalla parte opposta
dell'osservatore, per esempio il vetro e lacqua. La
trasparenza di un corpo dipende dalla sua natura e dallo
spessore. Al contrario, tutti quei corpi, come i metalli,
il legno, ecc. che non si lasciano attraversare dalla
luce sono detti opachi.
Esistono anche i corpi traslucidi i
quali fanno passare la luce, ma non permettono di
distinguere gli oggetti, per esempio il vetro
smerigliato, il vetro bianco, la carta, ecc.
2.2 - Propagazione della luce
La luce al contrario di altre onde non ha
bisogno di un mezzo come sostegno per la sua
propagazione, la luce del Sole infatti giunge a noi
attraversando lo spazio vuoto, comunque si propaga
ugualmente anche attraverso molti mezzi, purché si
lascino attraversare da questa, cioè siano trasparenti.
Una importante proprietà della luce è
la sua propagazione rettilinea. Se osserviamo un sottile
fascio di luce che da una piccola fessura penetra nel
buio, notiamo in modo evidente il percorso rettilineo
della luce che, per convenzione, identifichiamo con i raggi
luminosi. Il concetto di raggio luminoso,
rappresentato da una linea retta non
corrisponde a una realtà concreta, è solo un
metodo utile per studiare una serie di fenomeni compresi
nella cosiddetta ottica geometrica, o ottica
dei raggi.
La formazione delle ombre conferma
indirettamente la propagazione rettilinea della
luce in un mezzo omogeneo e isotropo. Tuttavia è
necessario anticipare che in certe particolari condizioni
la luce non segue in modo rigoroso la propagazione
rettilinea.
2.3 - Vergenza
Abbiamo visto che la luce si propaga
rettiliearmente, la sua rappresentazione grafica può
essere fatta con "raggi luminosi rettilinei. I
raggi luminosi possono essere paralleli, quando non si
incontrano mai, convergenti, quando si incontrano
in un punto e quindi convergono,
divergenti, quando si allontanano
tra loro provenendo da un punto o da una sorgente
puntiforme e quindi divergono.
Il fuoco dei raggi (F) è il punto
da cui i raggi divergono o su cui i raggi convergono. I
raggi che provengono dellinfinito o da una sorgente
molto lontana sono considerati paralleli.
Linverso della distanza (d), che
separa il fuoco dalla sezione del fasci di raggi presa in
considerazione, è detto vergenza. La distanza del
fuoco è positiva se misurata, partendo dalla sezione
presa in considerazione, nello stesso verso della
propagazione dei raggi, mentre è negativa se misurata
nel verso opposto alla propagazione dei raggi. Più
vicino è il fuoco e più elevata è la vergenza., se la
distanza dal fuoco è infinita la vergenza è nulla; se
la distanza è positiva anche vergenza è positiva (+), i
raggi convergono; se la distanza è negativa anche la
vergenza è negativa (-), i raggi divergono.
Questa caratteristica di un fascio è
importante, perché ci indica il rapporto tra loro e il
decorso in relazione all distanza della sorgente.
Lunità di misura della vergenza è
la diottria (la stessa che misura il potere di un
diottrico, come vedremo in seguito).
La diottria è abbreviata con D
, ed è linverso della distanza focale in
metri:
D = 1/d
e anche d= 1/D
Esempi:
Un fascio di raggi convergenti in un
fuoco distante 33 cm (0,33 m) ha una vergenza positiva
di:
D = 1/0,33 = 3
( 3 diottrie)
Un fascio di raggi convergenti in un
fuoco distante 10 cm (0,1 m) ha una vergenza positiva di:
D = 1/0,1 = 10
( 3 diottrie)
Un fascio di raggi divergenti provenienti
da una sorgente distante 0,5 m ha una vergenza negativa
di:
D = 1/-0,5 = -2
( -2 diottrie)
Un fascio di raggi divergenti provenienti
da una sorgente distante 4 m ha una vergenza negativa di:
D = 1/-4 = -0,25
( -0,25 diottrie)
Un fascio di raggi paralleli provenienti
dallinfinito ha una vergenza di:
D = 1/inf. = 0
( 0 diottrie)
2.3 - Grandezze ottiche
La tendenza dei corpi esposti alla luce a
riscaldarsi dimostra che avviene un assorbimento
energetico; quindi la luce, come tutte le onde meccaniche
ed elettromagnetiche, trasporta energia.
Supponiamo una sorgente puntiforme, per
valutare l'energia emessa da questa è necessario
introdurre alcune grandezze oggettive che definiscono la
radiazione luminosa da un punto di vista puramente
fisico.
Le principali grandezze, espresse nel
sistema SI (sistema internazionale), sono:
- Energia raggiante: energia
emessa dalla sorgente o trasportata per irraggiamento.
Unità di misura: Joule.
- Flusso di radiazione (o flusso
di potenza) F : rapporto
tra la quantità di energia che attraversa
perpendicolarmente una superficie e il tempo durante il
quale avviene tale passaggio.
Unità di misura: watt.
- Intensità di radiazione,
I : flusso di radiazione emesso entro un
angolo solido* unitario. (langolo solido
(simbolo W) di un cono di vertice V è il rapporto fra
l'area S della porzione di superficie sferica, definita
dall'intersezione del cono con una sfera di centro V, e
il quadrato del raggio R della sfera stessa).
Unità di misura: watt/steradiante
(simbolo: W/sr) (definisce steradiante l'angolo
solido che, avendo il vertice nel centro di una sfera,
delimita sulla superficie di questa un'area pari a quella
di un quadrato dilato uguale al raggio della sfera)
- Irraggiamento di una superficie,
E : rapporto tra il flusso di
radiazione incidente su una superficie piana e la
superficie stessa.
Unità di misura: W/m2.
Legge
di Lambert
Lenergia ricevuta E
da una superficie dipende dallintensità di
radiazione I, dallangolo a
di incidenza ed è inversamente proporzionale al quadrato
della distanza dalla sorgente r:
I
cos a
E = _____________
r2
Se la radiazione ha direzione
perpendicolare alla superficie avremo a = 0, per cui la
precedente diventa:
I
E = _______
r2
Da questa legge dell'irraggiamento di
Lambert si ricava che uno stesso flusso energetico emesso
da una sorgente luminosa si distribuisce su superfici
sempre più grandi al crescere della distanza
Se si vuole produrre sopra due superfici
un stesso irraggiamento utilizzando due sorgenti di
intensità I1 e I2 queste devono
essere posizionate in modo che sia verificata la
seguente:
I1
r12
_______ = _______
I2 r22
2.4 - Grandezze fotometriche
La percezione visiva dipende non solo
dalle caratteristiche fisiche della sorgente e
dellambiente, ma anche da alcuni effetti
soggettivi, anche di natura psicologica. Perciò i
fenomeni luminosi si possono valutare facendo
riferimento ad alcuni effetti sensoriali provocati
dalla luce.
Per tale motivo si introducono le
cosiddette grandezze fotometriche:
- Intensità luminosa: corrisponde
all'intensità di radiazione I.
Unità di misura: candela
internazionale (simbolo: cd), intensità
luminosa di una sorgente che emette in una data
direzione una radiazione monocromatica di frequenza 540
1012 Hz e la cui intensità energetica è
pari a 1/683 W/sr;
- Flusso luminoso: corrisponde al
flusso di radiazione F.
Unità di misura:l lumen (simbolo:
lm), flusso luminoso emesso da una sorgente puntiforme
avente l'intensità di una candela.
- Intensità di illuminazione o illuminamento:
corrisponde all'irraggiamento E di una
superficie.
Unità di misura: lux (simbolo:
lx) uguale a 1 lumen su metro quadrato (lm/m2):
1 lux = 1lm/m2
La legge di Lambert è valida anche per
le corrispondenti grandezze fotometriche espresse in
unità fotometriche. Per misurare queste grandezze si
usano i fotometri .
2.5 - Interferenza
Se la luce giunge per due vie da un punto
sorgente S a un punto illuminato O si ha in O
illuminazione particolarmente intensa o particolarmente
debole secondo che la differenza tra i due cammini
percorsi dalla luce per arrivare da S ad O è eguale ad
un multiplo pari o dispari della mezza lunghezza d'onda.
In ciò consiste il fenomeno dellinterferenza
della luce.
Linterferenza è un fenomeno di
tutte le onde per cui due movimenti ondulatori possono
rinforzarsi se sono in fase o estinguersi a vicenda, se
sono sfasati nella misura opportuna. Anche per la
luce si verifica il fenomeno di interferenza: per
lestinzione è necessario che le onde abbiano la
stesa ampiezza e siano spostate di fase di mezza
lunghezza donda esattamente, in modo che un massimo
donda coincida esattamente con un minimo
dellaltra. Se non vi sono queste condizioni, o se
unonda ha ampiezza maggiore, ne risulta un
indebolimento.
Se primaria è monocromatica, la
figura interferenziale è formata da una serie di
strisce alternativamente chiare e scure dette frange
dinterferenza.
Se invece utilizziamo sorgenti di luce
coerenti non monocromatiche, la configurazione delle
strisce sullo schermo presenta gli orli leggermente
colorati a seguito dell'interazione delle diverse
lunghezze d'onda presenti nella radiazione: spettro
interferenziale .
Anche nelle frange dinterferenza si
ha conservazione dellenergia: l'energia che manca
nelle frange oscure si ritrova in quelle luminose, è
una discontinua ripartizione spaziale dell'energia
associata ai due fasci, quando questi sovrapponendosi
interferiscono.
Possiamo osservare alcuni caratteristici
fenomeni interferenziali illuminando con luce bianca una
sottile lamina trasparente, per esempio la colorazione
delle bolle di sapone e delle macchie di olio,
l'iridescenza delle perle o di alcuni minerali.
.
2.6 - Diffrazione
La propagazione rettilinea della luce
non è sempre valida, se teniamo conto dei fenomeni di
diffrazione. La diffrazione si evidenzia quando le
radiazioni incontrano ostacoli che interrompono il
fronte d'onda, o aperture le cui dimensioni sono
confrontabili con la lunghezza d'onda della radiazione
adoperata. La distribuzione della luce non segue più le
leggi dell'ottica geometrica. Nelle regioni di ombra
geometrica, si può avere ancora luce, come se
quest'ultima aggirasse gli ostacoli.
Il principio di Huygens ci permette di
dedurre gli effetti della diffrazione e di calcolare
alcuni parametri connessi con l'onda che si propaga
nello spazio. Se sul cammino dell'onda si trova un
ostacolo o uno schermo con fori o fenditure che
interrompono il fronte d'onda, il principio di Huygens
permette di interpretare sia i fenomeni della
propagazione rettilinea della luce sia quelli derivanti
dall'ottica ondulatoria, come per esempio la diffrazione
Diffrazione attraverso una
fenditura
E un tipico esempio di diffrazione è cvausato da
una sottile fenditura illuminata con un'onda piana
monocromatica.
Diffrazione attraverso un
reticolo
Se facciamo passare un'onda piana
attraverso uno schermo con di due fenditure molto strette
e vicinissime fra loro, le frange di interferenza
tendono ad avvicinarsi e a diventare, specie nella zona
centrale, più marcate.
Se utilizziamo un sistema con. molte
fenditure, disposte il più vicino possibile fra loro in
modo da realizzare un numero elevato di sorgenti
piuttosto elementari, si ottiene un reticolo di
diffrazione, in cui la distanza fra due fenditure
rappresenta il passo o costante del reticolo.
2.7 - Polarizzazione della luce
Il fenomeno della polarizzazione permette
di distinguere le radiazioni elettromagnetiche dalle
altre onde. E un fenomeno che permette di
dimostrare che la luce è un'onda trasversale: le
oscillazioni che determinano la perturbazione sono
perpendicolari alla direzione di propagazione.
Nelle onde longitudinali la direzione di
vibrazione coincide con quella di propagazione, invece
nelle onde trasversali le vibrazioni, sempre ortogonali
alla direzione di propagazione, possono essere
contenute in uno degli infiniti piani passanti per questa
direzione .
Così, se consideriamo la sezione
trasversale di un raggio luminoso, le vibrazioni devono
trovarsi in un piano perpendicolare alla direzione di
propagazione.
Ciò premesso, nello studio dell'ottica
diciamo che un raggio luminoso è polarizzato tutte le
volte che esiste un ordine nella distribuzione spaziale
delle vibrazioni, caratterizzato dal "vettore luminoso"
chiamato anche "vettore vibrazione" o
"vibrazione".
La luce è linearmente polarizzata quando
il vettore vibrazione si mantiene costantemente in un
piano, detto piano di vibrazione, in modo che il suo
estremo descrive una sinusoide variando periodicamente in
ampiezza.
Mentre nella luce naturale le
oscillazioni avvengono in tutte le possibili direzioni
perpendicolari al raggio, per cui l'onda ha una struttura
simmetrica rispetto alla direzione di propagazione, nella
luce polarizzata linearmente le oscillazioni giacciono
sempre in un solo piano, chiamato piano di vibrazione.
Il piano ortogonale a quello di vibrazione, passante
sempre per la direzione di propagazione, viene di solito
chiamato piano di polarizzazione.
Perché la luce ordinaria emessa da una
sorgente non è mai polarizzata? Le onde
elettromagnetiche, e come tali le radiazioni luminose, si
originano ogni qualvolta varia lo stato energetico di
un atomo, in particolare, allorché la materia viene
opportunamente eccitata. La luce naturale si origina
pertanto dalla sovrapposizione dell'immensa moltitudine
di onde elementari emesse dagli innumerevoli atomi
della sorgente. Poiché ogni treno d'onda elementare è
linearmente polarizzato in un piano distribuito
casualmente intorno alla direzione di propagazione, la
luce ordinaria è caratterizzata da un'infinità di
piani di oscillazione tutti equivalenti ed equiprobabili.
2.8 - L.A.S.E.R.
La parola Laser è formata dalle
iniziali delle parole Light Amplification hy Stimulated
Emission of Radiation (amplificazione della luce per
mezzo della emissione stimolata di radiazioni), è una
particolare sorgente di luce le cui caratteristiche
principali sono: Coerenza, Collimazione,
Monocromaticità.
Il luce LASER è generata a livello
atomico in particolari condizioni. Gli elettroni di un
atomo occupano sempre posizioni in cui l'energia è
minima, in tal caso l'atomo non emette alcuna forma di
radiazioni. Se l'atomo viene eccitato dall'urto di un
altro atomo, di un elettrone o di uno ione, può accadere
che un elettrone periferico si sposti dalla posizione
iniziale allontanandosi dal nucleo e perdendo stabilità.
In una frazione molto piccola di secondo ritona nella sua
posizione iniziale emettendo una certa quantità di
energia sotto forma di radiazione elettromagnetica.
La frequenza di questa radiazione
emessa dipende dalla differenza di energia tra i due
livelli dell'elettrone e può essere calcolata con la
seguente formula:
h n = E2
E1
n = frequenza della radiazione;
h = costante di Plank ;
E2 = energia dello stato
eccitato;
E1 = energia dello stato
iniziale.
Il meccanismo di emissione suddetto
determina la produzione di energia luminosa da parte di
una comune lampada d'illuminazione, con radiazioni
emesse in ogni direzione spaziale ed in maniera
disordinata senza coerenza. Gli atomi di alcune sostanze
possiedono però livelli eccitati, cioè dove può essere
spostato un elettrone e rimanere in questa posizione per
tempi relativamente lunghi (secondi , minuti o ore).
Questo livello di energia è chiamato «metastabile» e
permette lemissione di luce LASER. Questi livelli
permettono l'emissione, nel passaggio dalla posizione
metastabile a quella stabile, di una radiazione sempre
uguale ed in fase con quella di eccitazione e
unassoluta monocromaticità.
Ora esaminiamo le caratteristiche
peculiari di un raggio laser:
Coerenza
Tutte le onde emesse dai singoli atomi
possono essere sovrapposte in maniera perfetta e la luce
che emerge dalla sorgente LASER è formata da radiazioni
luminose in perfetta fase.
Collimazione
Mentre le lampade ad incandescenza emette
luce in tutte le direzioni, il raggio Laser si propaga in
un fascio cilindrico di sezione pari a quella
dell'apertura d'uscita del tubo d'emissione senza
disperdersi.
Intensità
L'intensità di un raggio LASER può
essere molto alta (anche mille Joule in un microsecondo.
Poiché il fascio laser può, con un sistema di lenti,
essere ridotto ad una sezione di un centesimo di
millimetro, il flusso luminoso in questa sezione potrà
risultare circa dieci milioni di miliardi di volte
superiore a quello della radiazione solare.
Una emissione Laser può essere
ottenuta con varie sostanze: cristalli solidi (rubino
sintetico); liquidi; gas (elio, neon, anidride
carbonica, azoto, argon); terre rare diluite in
solventi; semiconduttori (diodi laser). Ognuno di
questi laser ha caratteristiche proprie di lunghezza
donda e intensità.
CONTINUA
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