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Introduzione 1
Per Ottici ed Optometristi(A.A. 2009-10)
Prof. M. De Seta
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È la scienza che si occupa della produzione e della
propagazione della luce, degli effetti che produce e degli
altri fenomeni correlati con la luce stessa.
Più in generale si occupa non solo della luce visibile, ma
anche di tutte le radiazioni elettromagnetiche
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Perchè studiare l’ottica?La maggior parte di voi la utilizzerà come strumento di lavoro, ma vi sono moltealtri fenomeni che possono essere osservati ogni giorno e che vengono spiegatifacilmente con le leggi dell’ottica.
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Introduzione 4Perch é la rosa è rossa?
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La luce sipropaga SEMPRE
in linea retta ?
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Che cosa produce l’arcobaleno ?
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Come funziona un lettore CD?
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Come ci arrivano le immagini da Marte?
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Quanto possiamo ingrandire gli oggetti per vedere cose piccole e lontane?
cristallino
globuli rossi
Giove e la sua luna Io
saturno
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I laser, le fibre ottiche, i collegamenti WiFi stanno giàsostituendo molti dei cavi metallici.
L’evoluzione delle conoscenze porta anche a importanti progressi tecnologici!!!!
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Il comunicato stampa che annuncia il premio Nobel per la Fisica 2009 ha un titolo decisamente azzeccato: "Masters of Light ", i Signori della Luce. Scienziati in grado di imbrigliarla e farla viaggiare per centinaia di chilometri e capaci di raccoglierla, trasformarla in segnale elettrico e ricostruire con essa delle immagini.
Stiamo parlando di Charles K. Kao e di Willard S. Boyle e George E. Smith : il primo ha riceuto il premio per i suoi innovativi passi avanti nel campo della trasmissione della luce nelle fibre ottiche , i secondi due per l'invenzione del sensore CCD .
Premi Nobel per la Fisica 2009
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Storia e evoluzione dell’ottica
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PropagazioneRettilinea,
Le leggi della riflessione(Catottrica)
5000 a.C. – 1000 d.C.(Gli antichi)
Mesopotamia, Egitto, India
5000 a.C.
Pitagora
570-500 a.C.
Platone427-347 a.C.
Aristotele384-322 a.C.
Euclide
325-265 a.C.
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Ottica nellaStoria Antica
Uno specchio è stato scoperto
vicino alla tomba del FaraoneSesostris II (1900 a.C.).
Grecia Antica (500-300 a.C.)Specchi ustori menzionati da Aristofane (424 a.C.)Leggi della riflessione: “Catottrica” da Euclide (300 a.C.)Rifrazione nell’acqua menzionata da Platone nella “ Repubblica”
Ma essi pensavano che fosse l’occhio ad emettere raggi chevenivano riflessi dagli oggetti.
Piramide di Sesostris II(conosciuto anche come
Senusret II)
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Greci Antichi: Le prime armi a luce
Gli storici greci e romani riportano che
Archimedeequippaggiò centinaiadi soldati con specchi
metallici per focalizzare la luce del
Sole sulle navi romanenella battaglia di
Siracusa (213 -211 a.C.).
Questa storia è probabilmente apocrifa.
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Ottica nel Medio Evo: Alhazen
Alhazen correttamente propose chegli occhi ricevono passivamente la luce riflessa dagli oggetti, piuttostoche siano loro stessi ad emanareraggi luminosi.
Egli spiegò anche le leggi dellariflessione e della rifrazione con ilrallentamento della luce quandoattraversa sostanze più dense.
Lo scienziato arabo Alhazen (~1000 d.C.) studiò glispecchi sferici e parabolici.
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Leggi dellaRifrazione(Diottrica )
1200-1650
Formazione delleimmagini
(Regole empiriche)Occhiali13 secolo
Microscopioa due lenti
Hans Jansen(Olanda)1590-1608
Descartes, Fermat(Francia)
1637 Snell(Olanda)
1621
TelescopiGalileo Galilei
(Italia)1609
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Ottica in Europa nel primo 1600
Hans Lippersheychiese un brevetto sultelescopio Galileianonel 1608.
Galileo (1564-1642) neutilizzo uno per osservare la luna ed i satelliti di Giove.
Due telescopi di Galileo.
Disegno di Galileo della Luna
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Johannes Kepler
Scopre la riflessione totale interna
Spiegò il funzionamento del telescopio
Sviluppò un teoria approssimataal primo ordine dell’ottica geometrica Johannes
Kepler (1571–1630)
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Willibrord Snell
Willibrord Snell scoprì le leggi della Rifrazione (Leggidi Snell).
Willibrord Snell (1591-1626)
n1
n2
θ1
θ2
1 1 2 2sin( ) sin( )n nθ θ=ni è l’indice di rifrazione diciascun mezzo.
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Ottica nel secolo XVII
Robert Hooke (1635-1703) studiò l’interferenza coloratatra due film e sviluppò la prima teoria ondulatoria dellaluce.
René Descartes (1596-1659)
Cartesio pensava che la lucedovesse comportarsi come ilsuono. Egli quindi propose un modello in cui la luce producevavariazioni di pressione in un mezzo (etere).
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InterferenzaDiffrazioneDispersioneVelocità luce
(Ottica ondulatoria)
1650-1850
Grimaldi(Italia)
Diffrazione
1665
Fresnel (Francia)1788-1827
Young (Inghilterra)1801
Confermano ilconcetto di onda
Huygens(Olanda)
Introduce ilconcettodi onda
1629-1695
Newton(Inghilterra)
ConcettoCorpusculare
1643-1727
Roemer(Danimarca)
Velocitàdella luce
1676
Bartholin(Danimarca)
DoppiaRifrazione
1669
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ChristiaanHuygens
Huygens sviluppò la teoriaondulatoria
dell’ottica.
Realizzò che la velocità della lucevaria in un mezzo denso.
Spiegò I fenomeni dellapolarizzazione
E della doppia rifrazione.
Doppia rifrazione
Christiaan Huygens (1629-1695)
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Isaac Newton
"I procured me a triangular glass prism to try therewith the celebrated phenomena of colours." (Newton, 1665)
Isaac Newton (1642-1727)
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Ottica del 18mo e 19mo secolo :Euler, Young e Fresnel
Leonhard Euler (1707-1783) sviluppò ulteriormente la teoriaondulatoria e disegnò lenti acromatiche combinando differentimateriali.
Augustin Fresnel
Thomas Young (1773-1829) spiegòl’interferenza e le frange colorate e dimostrò che la luce era una ondatrasversa.
Augustin Fresnel (1788-1827) feceesperimenti per confermare la teoriaondulatoria e derivò le espressioni per le onde riflesse e trasmesse.
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Teoriaelettro-magnetica
della luce e della suainterazione con
la materia
1850-1900Faraday (Inghilterra)Concetto di campo,Rotazione dellaPolarizzazione in campoMagnetico 1848
Maxwell (Scozia)Equationi del
Campo EM1864
L’Rau (Francia)DispersioneАnomaladn / dλλλλ >>>> 01862
Кunge (Germania)Interrelazione tra
Assorbimento e Dispersione
1872
Lebedev (Russia)Pressione della luce
(Misura diretta)1899
Lorentz (Olanda)Approfondiscela teoria1897
Rayleigh (Inghilterra)Diffusione
da Oscillatori1871
Zeeman (Olanda)Splitting
1896
Drude (Germany)Helmholtz (Germany)Lorentz (Holland)Oscillatori-Atomi1896
Selmeire (Germania) Oscillatori in campo EM
1872
Hertz (Germania)(v=с) 1888
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James Clerk Maxwell
James Clerk Maxwell (1831-1879)
Maxwell unificò elettricità e magnetismo con le sue famoseequazioni e dimostrò che la luceè una onda elettromagnetica.
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Planck ( 1900)Einstein (1905 , 1917)
Stokes (Inghilterra)Red Shift della luce
diffusa1850
TeoriaTeoria quantisticaquantisticadelladella luceluce: la : la luceluce èè compostacompostadada““ quantiquanti”” didi energiaenergiahhνννννννν: i : i fotonifotoni
Hertz (Germania)Stoletov (Russia)
Effetto fotoelettrico1887-1888
InterpretazioneInterpretazionedeglidegli esperimentiesperimenti::
Mandelstamm, Landsberg (USSR)Raman (India)
Raman Scattering1928
Compton (USA)Diffusione di
Raggi X1922
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• I FOTONI hanno caratteristiche ondulatorie (la frequenza) e si comportano come particelle
E=hνννν
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1905 Einstein
Young, Fresnel, Arago,Fizeau, Lorentz
Teoria dell’Etere
RelativitRelativitàà ristrettaristretta
Michelson, Morley(Germany, USA)
1881, 1887
CompletamentoCompletamentodelladella teoriateoria classicaclassica
Vavilov, Cherenkov, Frank, Tamm (USSR)
1937
Gabor (Hungary) 1948Denisyuk () USSR1962
Olografia
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“La Luce è, in breve , la più raffinataforma della materia .”
Louis de Broglie
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Come si studia oggi l’ottica?
Se si ignorano gli effetti quantistici
Ottica quantistica
Elettrodinamicadi Maxwell
Se si trascura la emissione di radiazioni
Ottica ondulatoria
Se si ignorano fenomeni come diffrazione, interferenza e polarizzazione
Ottica geometrica
Ottica lineare
Se si ignorano le aberrazioni
Ottica di Gauss
Se si assume simmetria rotazionale e raggi parassiali
A seconda del problema che si vuole affrontare si usano approssimazioni e approcci diversi in modo che la descrizione del fenomeno sia più semplice ma adeguata:
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Cosa studieremo in questo corso?
Onde elettromagnetiche
Ottica geometrica
Ottica di Gauss
Immagini di lenti, specchi,sistemi ottici
Studio delle aberrazioni
Ottica Fisicarifrazione e riflessione
Ottica ondulatoria
interferenza diffrazione
Equazioni di Maxwell
Proprietàdelle onde
Lezioni in classe con uso di diapositive e esercizi alla lavagna
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Campo elettrico e magneticorichiami dal corso di Fisica
Per ogni capitolo vengono indicati riferimenti ai libri Halliday, Resnick, Walker: “Fondamenti di Fisica” (ed. Ambrosiana)Sears: Ottica (ed. Ambrosiana)
OndeOnde trasversali e longitudinali, Onda piana, forme d’onda, ondesinusoidali, teorema di Fourier.(H.R.W cap. 16)
Onde elettromagnetiche.Corrente di spostamento e Equazioni di MaxwellDalle equazioni di Maxwell alle onde E.M.Energia trasportata da un' onda e.m. Vettore di PoyntingClassificazione delle onde, Spettri del visibile, colori, misura della velocitàdella luce H:R:W Cap 32 par.1-6, 33 par 1-7
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35
Ottica geometrica.Leggi della riflessione e della rifrazione. Angolo limite, riflessione totale, Approssimazione di Gauss, Sorgente e immagine, Specchi, Diottro sferico, Vergenza della luce e potere diottrico, Lenti sottili, Lenti spesse, equazionidelle lenti, Strumenti ottici, Aberrazioni Dispersione della luce. (Sears: Cap1-5, Cap.6 cenni)
Interferenza e diffrazione.Interferenza. Sorgenti coerenti. Diffrazione e principio di Huyghens. Diffrazione di Fraunhofer da una fenditura semplice e doppia. Esperienza diYoung. Potere risolutivo di una fenditura e criterio di Rayleigh. Reticolo didiffrazione.(H.R.W. Cap. 35-36 o Sears Cap. 8-9)
Verso la fisica quantistica.Interazione radiazione materia, Effetto fotoelettrico, lo spettro di corpo nero .spettri a righe. (Sears Cap. 12 par 1-5),
Unità di misura.Potenza ed energia, unità di misura radiometriche e fotometriche, sorgentidi onde elettromagnetiche(Sears Cap. 13)
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L’ importanza di frequentareLa frequenza non è obbligatoria, tuttavia è convenientefrequentare le lezioni, dato che ci sono molte nozioni che non possono essere messe nelle slides di Power Point che sononecessariamente schematiche.Durante il corso verranno prese per 6 volte le frequenze in modo casuale. Coloro che sono risultati assenti tre o più volteverranno penalizzati nella convalida dello scritto.
Le slides saranno disponibili sul sito web qualche giorno prima della lezione
http://webusers.fis.uniroma3.it/~meso/didattica.htmlUsername: lfts
Password: didattica
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Regole per l’esame:
La sessione estiva si svolge in due appelli distinti, uno a giugno, l’altro a luglio.L’esame consiste in:• una prova scritta contenente domande a risposta multipla e semplici esercizi • una prova orale.
Gli studenti che ottengono una votazione allo scritto ≥15 possono fare l’esame orale (eventualmente anche nel successivo appello all’interno della stessa sessione) oppure verbalizzare il voto se questo è ≥ 23 e hanno frequentato il corso.
NON E’ POSSIBILE TENERE LO SCRITTO PER UNA SESSIONE DI ESAME SUCCESSIVA
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Testi consigliati
• Halliday, Resnick, Walker: “Fondamenti di Fisica” (ed. Ambrosiana) • Sears: Ottica (ed. Ambrosiana)
• Trasparenze del Corso
NON vogliono e NON possono sostituire il libro,ma devono essere considerate come un utile
indicazione per le parti che devono essere
maggiormente approfondite.
(Occhio a possibili errori! Ogni segnalazione è benvenuta!)
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Introduzione 39
Gli stessi argomenti possono esseretrovati anchein vari altri libri…
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Introduzione 42
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Monica De SetaTel. 0657333430e-mail: [email protected]
Studio: Laboratorio di Fisica e Tecnologia dei Semiconduttori (ex OMI)
Orario lezioni
Lunedi Martedi Mercoledi Giovedi VenerdiOra
11:15 - 13:004
OraAula
11:15 - 13:004
Orario Ricevimento: dopo le lezioni o su appuntamento