Università di Napoli “Federico II” Corso di Laurea Triennale in Fisica Laboratorio di Fisica 2 Mod.A - mat. dispari (gr.2) Prof. Corrado de Lisio

Informazioni generali Prof. Corrado de Lisio Prof. Corrado de Lisio Dip. di Fisica (M.S.A.) Dip. di Fisica (M.S.A.) Edificio H - Stanza 2H19 / Lab. 1H21 Edificio H - Stanza 2H19 / Lab. 1H21 Tel Tel Web: Web:

Organizzazione del corso Modulo A (e B) Modulo A (e B) 10 lezioni frontali da 2 ore 10 lezioni frontali da 2 ore 10 sedute di laboratorio da 3 (e ½…) ore per svolgere 5 esercitazioni (e 1 recupero) 10 sedute di laboratorio da 3 (e ½…) ore per svolgere 5 esercitazioni (e 1 recupero) Dispense Dispense Obbligo di frequenza ai laboratori Obbligo di frequenza ai laboratori Obbligo di consegna delle relazioni Obbligo di consegna delle relazioni Regole per l’esame Regole per l’esame Libri di testo Libri di testo L. Merola, Esperimentazioni di Fisica – Ottica (Liguori) L. Merola, Esperimentazioni di Fisica – Ottica (Liguori) Testi di Fisica Generale 2 ed Ottica Testi di Fisica Generale 2 ed Ottica

Ottica Studia la natura, la propagazione e le proprietà della luce Studia la natura, la propagazione e le proprietà della luce Fenomeni: riflessione, rifrazione, interferenza, diffrazione, polarizzazione (mezzi anisotropi) Fenomeni: riflessione, rifrazione, interferenza, diffrazione, polarizzazione (mezzi anisotropi) Luce  onde elettromagnetiche: = c = 3 x 10 8 m/s Luce  onde elettromagnetiche: = c = 3 x 10 8 m/s Sensibilità dell’occhio umano (medio) Sensibilità dell’occhio umano (medio) (400 < < 700) nm (7.5 > > 4.3) x Hz Cellule fotosensibili Cellule fotosensibili Coni: percezione cromatica Coni: percezione cromatica Bastoncelli: bassa luminosità Bastoncelli: bassa luminosità (nm) Fotopica: intensità medio-alta Scotopica: Intensità bassa (nm) Fotopica: intensità medio-alta Scotopica: Intensità bassa Scotopica: Intensità bassa

Natura della luce Onde e.m. dallo spazio (dal Sole): Onde e.m. dallo spazio (dal Sole): , X, UV, visibile, IR, onde corte, radio, … , X, UV, visibile, IR, onde corte, radio, … La porzione “visibile” è percepita come luce BIANCA La porzione “visibile” è percepita come luce BIANCA Effetti dell’atmosfera: Effetti dell’atmosfera: Assorbimento Assorbimento N 2  , X (gravi danni biologici) N 2  , X (gravi danni biologici) O 3  UV (danni biologici) O 3  UV (danni biologici) H 2 O, CO 2  IR (irraggiamento termico) H 2 O, CO 2  IR (irraggiamento termico) Riflessione Riflessione ionosfera  Onde corte (telecomunicazioni) ionosfera  Onde corte (telecomunicazioni) miraggi miraggi Diffusione Diffusione N 2  colorazioni del cielo N 2  colorazioni del cielo I campi E (r,t ) e B (r,t ) di un’onda e.m. sono soluzioni delle eqq. di Maxwell con opportune condizioni al contorno I campi E (r,t ) e B (r,t ) di un’onda e.m. sono soluzioni delle eqq. di Maxwell con opportune condizioni al contorno

Natura della luce Propagazione luce  Teoria e.m. ondulatoria Propagazione luce  Teoria e.m. ondulatoria Riflessione, rifrazione, interferenza, diffrazione sono fenomeni tipicamente ondulatori, comuni al suono, onde sismiche, etc. Riflessione, rifrazione, interferenza, diffrazione sono fenomeni tipicamente ondulatori, comuni al suono, onde sismiche, etc. Anche la polarizzazione è un fenomeno ondulatorio, ma si osserva solo per onde “trasversali” Anche la polarizzazione è un fenomeno ondulatorio, ma si osserva solo per onde “trasversali” Interazione luce-materia  Meccanica Quantistica Interazione luce-materia  Meccanica Quantistica L’effetto fotoelettrico, la radiazione di corpo nero richiedono la “quantizzazione” del campo: L’effetto fotoelettrico, la radiazione di corpo nero richiedono la “quantizzazione” del campo: Onda a frequenza  particella di luce (fotone) di energia E = h Onda a frequenza  particella di luce (fotone) di energia E = h

Natura della luce Natura della luce: onde o particelle? Natura della luce: onde o particelle? Isaac Newton ( ) Isaac Newton ( ) Particelle, meccanica dei punti materiali Riflessione  urto elastico: v t 0 = v t 1 ; v n 0 = -v n 1 Rifrazione: v t 0 = v t 1 ; v n 0 |v 0 | Christiaan Huygens ( ) Christiaan Huygens ( ) Onde in un mezzo elastico (etere) Affermazione della teoria corpuscolare Affermazione della teoria corpuscolare v0v0v0v0 v1v1v1v1 v0v0v0v0 v1v1v1v1 F

Natura della luce Esperimenti pro-onde (inizi dell’800): Esperimenti pro-onde (inizi dell’800): Young: interferenza da doppia fenditura Young: interferenza da doppia fenditura Arago, Fresnel: polarizzazione (onde trasversali) Arago, Fresnel: polarizzazione (onde trasversali) Leon Foucault: velocità della luce in acqua inferiore che nel vuoto! Leon Foucault: velocità della luce in acqua inferiore che nel vuoto! Teoria di Maxwell Teoria di Maxwell + esperimenti di Hertz Etere: esistenza negata dall’esperienza di Michelson-Morely Etere: esistenza negata dall’esperienza di Michelson-Morely Esperimenti pro-particelle (inizi del ‘900): Esperimenti pro-particelle (inizi del ‘900): effetto fotoelettrico (Hertz!!!) effetto fotoelettrico (Hertz!!!) Distribuzione spettrale della radiazione di corpo nero Distribuzione spettrale della radiazione di corpo nero Onde o particelle?  Meccanica Quantistica Onde o particelle?  Meccanica Quantistica Anche le particelle presentano aspetti ondulatori!!! Anche le particelle presentano aspetti ondulatori!!!

Ottica geometrica È basata sulla propagazione rettilinea della luce (nei mezzi omogenei)  raggio luminoso È basata sulla propagazione rettilinea della luce (nei mezzi omogenei)  raggio luminoso Spiega la formazione di ombra e penombra (Euclide, III sec. A.C.) Spiega la formazione di ombra e penombra (Euclide, III sec. A.C.) Equazione delle onde (Maxwell): Equazione delle onde (Maxwell): (v  velocità di fase) (v  velocità di fase) dove  rappresenta una componente del campo elettrico o del campo magnetico dell’onda Possibile soluzione (in un mezzo omogeneo): Possibile soluzione (in un mezzo omogeneo): purché purché onda sinusoidale progressiva lungo x

Ottica geometrica Più in generale Più in generale Onda che si propaga lungo la direzione di k In un certo punto dello spazio (r * è fissato),  è una funzione sinusoidale del tempo In un certo punto dello spazio (r * è fissato),  è una funzione sinusoidale del tempo In un certo istante del tempo (t * è fissato),  è una funzione sinusoidale delle coordinate spaziali In un certo istante del tempo (t * è fissato),  è una funzione sinusoidale delle coordinate spaziali Fissato t, il luogo geometrico dei punti dello spazio con fase Fissato t, il luogo geometrico dei punti dello spazio con fase  (x, y, z) = cost. è una superficie detta “fronte d’onda”

Ottica geometrica Se A non dipende né da t né da r e se k è un vettore costante, Se A non dipende né da t né da r e se k è un vettore costante, rappresenta un’onda piana poiché  = cost. è l’equazione di un piano ortogonale a k rappresenta un’onda piana poiché  = cost. è l’equazione di un piano ortogonale a k È naturale intendere un raggio di luce come una porzione di fronte d’onda che avanza ortogonalmente al fronte stesso nella direzione di k È naturale intendere un raggio di luce come una porzione di fronte d’onda che avanza ortogonalmente al fronte stesso nella direzione di k

che rappresenta un’onda sferica radiale uscente k Ottica geometrica Sorgente puntiforme Sorgente puntiforme Intensità (di energia) associata ad un campo: Intensità (di energia) associata ad un campo: u  E 2  B 2   2  A 2 Energia per unità di tempo che fluisce attraverso una superficie chiusa (sfera) S : Energia per unità di tempo che fluisce attraverso una superficie chiusa (sfera) S : U non deve dipendere da S (né da r ): U non deve dipendere da S (né da r ): Pertanto: Pertanto: S

Ottica geometrica Raggi luminosi: Raggi luminosi: Curve di propagazione dell’energia e.m. Curve di propagazione dell’energia e.m. Ortogonali ai fronti d’onda (mezzi isotropi) Ortogonali ai fronti d’onda (mezzi isotropi) Queste considerazioni si posso dedurre anche dal principio di Huygens (più avanti) Queste considerazioni si posso dedurre anche dal principio di Huygens (più avanti) Per ostacoli o aperture di dimensioni D Per ostacoli o aperture di dimensioni D D   propagazione rettilinea (mezzi omogenei)  è valida l’ottica geometrica (o dei raggi) D   propagazione rettilinea (mezzi omogenei)  è valida l’ottica geometrica (o dei raggi) D   le onde luminose curvano oltre gli ostacoli di angoli  /D D   le onde luminose curvano oltre gli ostacoli di angoli  /D

Ottica geometrica - Riflessione Riflessione Riflessione Nomenclatura Nomenclatura I legge della riflessione: I legge della riflessione: Raggio incidente, raggio riflesso e normale sono complanari II legge della riflessione: II legge della riflessione: L’angolo di incidenza è uguale all’angolo di riflessione:  i =  i’ Superficieriflettente Raggioincidente Punto di incidenza Raggioriflesso Normale alla superficie nel punto di incidenza Piano di incidenza Angolo di incidenza riflessione ii ii  i ’

Ottica geometrica - Rifrazione Rifrazione Rifrazione Oltre al raggio riflesso, compare un raggio trasmesso o rifratto Oltre al raggio riflesso, compare un raggio trasmesso o rifratto I legge della rifrazione: I legge della rifrazione: Il raggio incidente, quello rifratto e la normale sono complanari II legge della rifrazione: II legge della rifrazione: Cartesio: Cartesio: O H S’ S d i i r r 1 2 Indice di rifrazione “relativo” del mezzo “2” rispetto al mezzo “1”

Ottica geometrica - Rifrazione Relazioni tra indici di rifrazione Relazioni tra indici di rifrazione Invertibilità del cammino ottico Invertibilità del cammino ottico i r 1 2 specchio

Ottica geometrica - Rifrazione Relazioni tra indici di rifrazione Relazioni tra indici di rifrazione Invertibilità del cammino ottico Invertibilità del cammino ottico Lamina a facce piane e parallele Lamina a facce piane e parallele i r i’ r

Ottica geometrica - Rifrazione Relazioni tra indici di rifrazione Relazioni tra indici di rifrazione Invertibilità del cammino ottico Invertibilità del cammino ottico Lamina a facce piane e parallele Lamina a facce piane e parallele Più lamine a facce piane e Più lamine a facce piane eparallele sperimentalmente risulta: sperimentalmente risulta: i r i’’ r 3 4 r’ r’ r’’ r’’

i r r 3 r’ r’ Ottica geometrica - Rifrazione Se i = i’, segue: Se i = i’, segue: Se il mezzo “1” è scelto come mezzo di Se il mezzo “1” è scelto come mezzo di riferimento, ad esempio il “vuoto”, n j 1  n j  indice di rifrazione assoluto del mezzo “j ” rispetto al vuoto i’i’’

Ottica geometrica - Rifrazione Principio dell’indipendenza dal mezzo interposto Principio dell’indipendenza dal mezzo interposto Sia  i  angolo tra raggio luminoso e normale all’interno del mezzo “i - simo” Sia  i  angolo tra raggio luminoso e normale all’interno del mezzo “i - simo” Legge di Snell-Cartesio Legge di Snell-Cartesio 1 22 22 33 33 44 44 55

Ottica geometrica - Rifrazione Angolo limite e riflessione totale interna Angolo limite e riflessione totale interna Supponiamo n 1 > n 2 Supponiamo n 1 > n 2  l è detto angolo limite  l è detto angolo limite Per  i >  l non vi è raggio Per  i >  l non vi è raggio rifratto e tutta l’energia incidente è trasferita nel raggio riflesso Il fenomeno è detto “riflessione totale interna” Il fenomeno è detto “riflessione totale interna” 1 2 ll  r =  /2

Ottica geometrica - Rifrazione Angolo limite Angolo limite Acqua-aria: n 1 = 1.33; n 2  1   l  48° Acqua-aria: n 1 = 1.33; n 2  1   l  48° Vetro-aria: n 1 = 1.5; n 2  1   l  42° Vetro-aria: n 1 = 1.5; n 2  1   l  42° Applicazioni Applicazioni Prismi (vetro) a riflessione totale Prismi (vetro) a riflessione totale Non c’è radiazione trasmessa!!! ii  i = 45° >  l

Ottica geometrica - Rifrazione Fibre ottiche Fibre ottiche “Tubo di luce” (Daniel Colladon, 1884) “Tubo di luce” (Daniel Colladon, 1884)

Ottica geometrica - Rifrazione Fibre ottiche Fibre ottiche “Tubo di luce” (Daniel Colladon, 1884) “Tubo di luce” (Daniel Colladon, 1884) Fibre ottiche Fibre ottiche Filamenti di vetro costituiti da: Filamenti di vetro costituiti da: “core”, indice di rifrazione n 1 “core”, indice di rifrazione n 1 “cladding”, indice di rifrazione n 2 < n 1 “cladding”, indice di rifrazione n 2 < n 1 Se  >  l = arcsin n 2 /n 1  riflessione totale interna

Ottica geometrica - Rifrazione Fibre ottiche Fibre ottiche “Tubo di luce” (Daniel Colladon, 1884) “Tubo di luce” (Daniel Colladon, 1884) Fibre ottiche Fibre ottiche Filamenti di vetro costituiti da: Filamenti di vetro costituiti da: “core”, indice di rifrazione n 1 “core”, indice di rifrazione n 1 “cladding”, indice di rifrazione n 2 < n 1 “cladding”, indice di rifrazione n 2 < n 1