Lezione n° 1: Natura della luce CORSO DI FISICA TCNICA II AA 2009/10 ILLUMINOTECNICA Lezione n° 1: Natura della luce Prof. Paolo Zazzini zazzini@unich.it

Doppia natura della luce: ONDULATORIA e CORPUSCOLARE vx vy Teoria corpuscolare (Newton 1643-1727): La luce è costituita da particelle piccolissime che, penetrando nell’occhio ad alta velocità, provocano la sensazione della visione La luce si propaga in linea retta vx vy aria acqua Spiega la riflessione con la teoria degli urti elastici (conservazione della q.d.m.) Non è in grado di spiegare la rifrazione Newton ipotizzò una forza di attrazione da parte della superficie di separazione (impulso) sulla luce nel passaggio tra due mezzi a densità crescente (esempio aria-acqua) in modo da aumentare la vy avvicinando il raggio rifratto alla normale alla superficie Aumento della velocità della luce passando da un mezzo meno denso ad uno più denso Due secoli più tardi FOUCAULT dimostrò sperimentalmente il contrario !! Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

Dagli studi di Foucault si fa strada la teoria ondulatoria Contributo di molti scienziati: Young, Huygens, Hooke, Fresnel che studiarono interferenza,riflessione e rifrazione, diffrazione Teoria ondulatoria Luce costituita da ONDE ELETTROMAGNETICHE: perturbazioni periodiche nel tempo e nello spazio del campo elettromagnetico Maxwell – 1860 Teoria dell’ELETTROMAGNETISMO Le onde elettromagnetiche si propagano nel vuoto con la stessa velocità della luce (3x108 m/s) Suggerendo che questo accordo non fosse casuale, Maxwell sostenne la natura ondulatoria della luce Il modello ondulatorio non spiega tutti i fenomeni Hertz 1887 - Effetto fotoelettrico – emissione di elettroni da elettrodi bombardati da fotoni, particelle di luce L’effetto fotoelettrico è spiegabile solo con la natura corpuscolare della luce!!! (Einstein 1905) Si fa strada di nuovo il modello corpuscolare Luce costituita da FOTONI, particelle di massa molto piccola presenti in gran numero in un fascio luminoso, ciascuna con un piccolo contenuto di energia La teoria quantistica mette d’accordo i due modelli spiegando alcuni fenomeni con il modello ondulatorio (interferenza e diffrazione) ed altri con quello corpuscolare (scambi energetici) Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

Teoria ondulatoria La luce è una radiazione elettromagnetica caratterizzata da una lunghezza d’onda  ed una frequenza . Un’onda elettromagnetica è una perturbazione del campo elettromagnetico che si propaga in modo periodico nel tempo e nello spazio : lunghezza d’onda = distanza in metri tra due punti allo stesso valore del campo T: periodo = tempo in secondi che intercorre tra due istanti in cui il campo assume lo stesso valore : frequenza = T –1 : inverso del periodo: numero di cicli nell’unità di tempo (s-1 = Hz)  c =  / T =   Nel vuoto: c = 3 108 m/s. Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

Interazione di una radiazione luminosa con una parete Equazioni di Maxwell: Forniscono risultati di notevole precisione riguardo al valore del campo elettromagnetico in un punto dello spazio ed in un certo istante di tempo Tale precisione è eccessiva nel caso dei fenomeni macroscopici riguardanti la luce Per descrivere i fenomeni luminosi adottiamo il modello ondulatorio con alcune semplificazioni: Lunghezza d’onda delle radiazioni luminose molto piccola (380-780 nm) rispetto alle dimensioni medie dei corpi con cui interagisce Può essere accettata l’ipotesi di propagazione in linea retta con l’approssimazione grafica dei raggi luminosi Interazione di una radiazione luminosa con una parete Ei = Er + Ea + Et Ei / Ei = (Er + Ea + Et) / Ei Ea Er Ei Et a : coefficiente di assorbimento = Ea / Ei r : coefficiente di riflessione = Er / Ei t : coefficiente di trasmissione = Et / Ei a + r + t = 1 Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

 = h  Teoria quantistica: La riflessione può essere: Speculare Diffusa Mista Teoria quantistica:   Considerando validi sia il modello corpuscolare che quello ondulatorio e mettendoli d’accordo, permette di valutare il contenuto energetico della luce: L’energia luminosa che si propaga non è distribuita in maniera uniforme in tutto il fronte d’onda dell’onda e. m. ma in modo discreto, concentrata in alcuni punti secondo quantità discrete di energia, dette quanti:  = h  h : costante di Plank = 6.55 10 –27 erg sec Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

SPETTRO ELETTROMAGNETICO 380 780 Raggi cosmici Raggi g Raggi x UV IR Microonde UHF 1 km Onde lunghe FINESTRA OTTICA Radiazioni visibili nm VHF Onde corte 1 nm 1 cm Violetto Blue Verde Giallo Arancio Rosso 10-6 Al variare della lunghezza d’onda si considerano le varie tipologie di onde elettromagnetiche che, conservando le medesime caratteristiche, si differenziano per gli effetti che producono Le onde visibili occupano un piccolissimo intervallo di lunghezze d’onda (FINESTRA OTTICA) compreso tra 380 e 780 nm all’interno del quale si distinguono le varie componenti cromatiche della luce. Il prevalere di una o più componenti cromatiche sulle altre attribuisce alla luce una particolare TONALITA’ CROMATICA Una miscela omogenea di tutte le componenti cromatiche (spettro uniforme) produce una LUCE BIANCA La luce bianca èd detta ACROMATICA Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

FENOMENO DELLA VISIONE Determinato da fattori oggettivi: Intensità della radiazione incidente nell’occhio e soggettivi: Sensibilità dell’occhio alle radiazioni visibili CAPACITA’ VISIVE Le radiazioni incidenti sulla cornea vengono rifratte verso la RETINA dove si trovano i fotoricettori concentrati nella FOVEA La lente elastica retrostante (CRISTALLINO) modifica il raggio di curvatura mettendo a fuoco l’immagine La radiazione visiva incide sulla CORNEA (membrana trasparente) Sulla retina si produce una immagine rovesciata che viene inviata al cervello dove viene raddrizzata Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

I BASTONCELLI (120 x 106) più numerosi e più sensibili I fotoricettori sono CONI e BASTONCELLI, 126 x 106 cellule nervose sensibili alla luce I BASTONCELLI (120 x 106) più numerosi e più sensibili Responsabili della visione notturna (SCOTOPICA) caratterizzata da valori molto bassi dell’energia luminosa I CONI (6 x 106) molto meno numerosi e meno sensibili Responsabili della visione diurna (FOTOPICA) caratterizzata da valori molto più elevati dell’energia luminosa La percezione dei colori è possibile solo con la visione FOTOPICA I CONI sono di tre tipi: ROSSI, VERDI, BLUE (colori fondamentali) Ciascuna tipologia contiene fotopigmenti sensibili a diverse lunghezze d’onda La ricezione dell’immagine da parte di coni e bastoncelli avviene per scomposizione chimica in conseguenza della quale impulsi nervosi vengono inviati al cervello I centri encefalici preposti decodificano il messaggio ricevuto interpretandolo e raddrizzando l’immagine L’occhio umano è sensibile alla potenza radiante entrante e non all’energia come una pellicola fotografica Un fascio luminoso entrante su una pellicola la impressiona in funzione dell’apertura dell’obiettivo e del tempo di esposizione (energia) al contrario l’occhio rimane costantemente allo stesso grado di sensibilità che ha all’istante iniziale della percezione visiva Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

Coefficiente di VISIBILITA’ v(l) = V(l) /Vmax La sensibilità dell’occhio che determina le capacità visive dell’individuo è funzione QUALITATIVA e QUANTITATIVA della lunghezza d’onda incidente La sensibilità QUALITATIVA consente di distinguere le tonalità cromatiche delle varie radiazioni La sensibilità QUANTITATIVA comporta una reazione più o meno intensa alle varie lunghezze d’onda: Per avere la stessa sensazione visiva sono necessarie potenze radianti diverse alle diverse lunghezze d’onda La sensibilità è MASSIMA al centro dello spettro (555 nm in visione fotopica e 510 nm in visione scotopica ) e minima ai lati 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 l(mm) v(l) 0.51 0.55 Fotopica Scotopica VISIBILITA’ V(l) Massima al centro e minima ai lati serve a misurare la capacità visiva dell’occhio Coefficiente di VISIBILITA’ v(l) = V(l) /Vmax Varia da 0 (a 380 e 780 nm) a 1 (al centro dello spettro) Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10