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Fondamenti di ottica. Onde Elettromagnetiche Combinazione di campi elettrici e magnetici variabili nel tempo che si propagano Velocità nel vuoto c = 3.

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Presentazione sul tema: "Fondamenti di ottica. Onde Elettromagnetiche Combinazione di campi elettrici e magnetici variabili nel tempo che si propagano Velocità nel vuoto c = 3."— Transcript della presentazione:

1 Fondamenti di ottica

2 Onde Elettromagnetiche Combinazione di campi elettrici e magnetici variabili nel tempo che si propagano Velocità nel vuoto c = 3 · 10 8 m/sec velocità in un mezzo diverso v = c / n n = indice di rifrazione

3 Il comportamento dei campi elettrico e magnetico è spiegato dalle equaz. Di Maxwell Entrambi i campi soddisfano lequazione differenziale Equazione delle onde velocità della luce nel vuoto velocità della luce in un mezzo qualsiasi indice di rifrazione del mezzo

4 onda elettromagnetica Di solito per semplicità si considera solo il campo elettrico onda piana monocromatica che si propaga lungo x

5 campo elettrico in funzione di x campo elettrico in funzione del tempo onda piana monocromatica

6 Velocità di fase velocità dei fronti donda (superfici con fase costante) Velocità di gruppo velocità dei pacchetti che si formano come risultante di un gruppo di onde con frequenza dissimile

7 Spettro Elettromagnetico 10 14 Hz 10 3 Hz10 9 Hz 10 22 Hz10 19 Hz luce

8 La luce è unonda elettromagnetica (Maxwell 1873) La luce bianca è scomponibile nello spettro visibile (Newton 1600)

9 Spettro Visibile Lunghezze donda rivelabili dallocchio: ~ 400-700 nm Il colore è determinato dalla lunghezza donda

10 Locchio: un noto rivelatore

11 Polarizzazione Unonda piana è polarizzata se il vettore del campo elettrico vibra in uno specifico piano Un generico fascio luminoso comprende di solito molte onde in cui i piani di vibrazione del campo elettrico sono orientati casualmente (polarizzazione casuale) Luce non polarizzata: la risultante del campo elettrico cambia orientamento casualmente nel tempo Luce polarizzata: la risultante del campo elettrico è orientata Nota: nel descrivere i fenomeni ottici spesso si trascura il vettore campo magnetico. Ciò semplifica i diagrammi e le descrizioni matematiche. Occorre, tuttavia, ricordare che esiste una componente del campo magnetico che si comporta in modo simile a quella del campo elettrico

12 Esempio di polarizzazione verticale, orizzontale, circolare Polarizzazione

13 Interferenza Interferenza costruttiva: 2 onde che arrivano in un punto in fase Interferenza distruttiva: 2 onde che arrivano in un punto in opposizione di fase

14 += Interferenza

15 Diffrazione Esempio di diffrazione Capacità delle onde di girare intorno agli ostacoli. Questo comportamento può essere spiegato mediante il Principio di Huygens: Ciascun punto di un fronte donda agisce come sorgente di piccole onde secondarie il cui inviluppo costituisce un nuovo fronte donda.

16 Spettro di emissione del corpo nero W = K T 4 dove: W = energia emessa dal corpo K = costante di Stefan-Boltzmann T = temperatura del corp m T= cost m = lunghezza donda alla quale si ha il max di energia, per ogni T Legge dello spostamento di Wien (1864-1928): Legge di Stefan-Boltzmann (1844-1906) La forma della curva verrà spiegata da Plank (premio Nobel nel 1918 per la dimostrazione della legge del corpo nero e per altri lavori di termodinamica)

17 Teoria quantistica irraggiamento del corpo nero Landamento di tale curva fu spiegato da Plank (1900) mediante la teoria dei quanti: lenergia della luce emessa è composta da quanti indivisibili proporzionali alla frequenza: E emessa = n h n = 1, 2, 3,... h = 6,63 10 -34 J/s = 4,14 eV sec Max Karl Ernst Ludwig Plank (1858-1947) (Nobel nel 1918)

18 Nel 1905 la stessa ipotesi dei quanti (fotoni) fu usata da Einstein per spiegare leffetto fotoelettrico Albert Einstein 1879-1955

19 Effetto fotoelettrico La luce colpisce uno strato di metallo se f > f o vengono emessi elettroni il cui numero è proporzionale alla frequenza e allintensità della luce (se f { "@context": "http://schema.org", "@type": "ImageObject", "contentUrl": "http://images.slideplayer.it/2/618731/slides/slide_19.jpg", "name": "Effetto fotoelettrico La luce colpisce uno strato di metallo se f > f o vengono emessi elettroni il cui numero è proporzionale alla frequenza e allintensità della luce (se f

20 Misura delleffetto fotoelettrico

21 Limiti della teoria ondulatoria In grado di fornire spiegazioni dei fenomeni concernenti linterazione luce-luce (es: interferenza, diffrazione) Non in grado di fornire spiegazioni dei fenomeni riguardanti linterazione luce-particelle costituenti la materia (es: emissione del corpo nero, effetto fotoelettrico)

22 La LUCE è formata da onde o da particelle ? Risposta : La luce ha entrambe le proprietà: si comporta come una perturbazione ciclica che si propaga con velocità v = si comporta come se fosse composta da un numero elevato di particelle, ciascuna aventi energia E = h Natura ondulatoria e corpuscolare della luce (dualità onda-corpuscolo) i due aspetti sono sostanzialmente inscindibili

23 Modello dellatomo J.J. Thomson (fine 800) Sfera di carica positiva nella quale stanno immersi i grumi di carica negativa (elettroni) Ernest Rutherford (1911) La carica positiva è concentrata in un nucleo (10 5 volte più piccolo dellatomo) Orbita dellelettrone qualsiasi purchè: Niels Bohr (1913): Livelli discreti Transizioni accompagnate da assorbimento o emissione di quanti di energia h = E 1 - E 2


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