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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 Hz 10 3 Hz10 9 Hz 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: ~ 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 ( ): Legge di Stefan-Boltzmann ( ) 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, J/s = 4,14 eV sec Max Karl Ernst Ludwig Plank ( ) (Nobel nel 1918)

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

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

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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