FISICA OTTICA: STORIA, TERMINI FREQUENTI, LEGGI, APPLICAZIONI - FISICO - 2025

L' ottica fisica fa parte dell'ottica che studia la natura ondulatoria della luce e i fenomeni fisici che sono compresi solo dal modello ondoso. Studia anche i fenomeni di interferenza, polarizzazione, diffrazione e altri fenomeni che non possono essere spiegati dall'ottica geometrica.

Il modello d'onda definisce la luce come un'onda elettromagnetica i cui campi elettrici e magnetici oscillano perpendicolari tra loro.

Onda elettromagnetica

Il campo elettrico (E) dell'onda luminosa si comporta in modo simile al suo campo magnetico (B), ma il campo elettrico predomina sul campo magnetico a causa della relazione di Maxwell (1831-1879), che stabilisce quanto segue:

Dove c = Velocità di propagazione dell'onda.

L'ottica fisica non spiega l'assorbimento e lo spettro di emissione degli atomi. D'altra parte, l'ottica quantistica affronta lo studio di questi fenomeni fisici.

Storia

La storia dell'ottica fisica inizia con gli esperimenti condotti da Grimaldi (1613-1663), il quale osservò che l'ombra proiettata da un oggetto illuminato appariva più ampia ed era circondata da strisce colorate.

Ha chiamato il fenomeno osservato diffrazione. Il suo lavoro sperimentale lo ha portato a proporre la natura ondulatoria della luce, in contrasto con la concezione di Isaac Newton che ha prevalso durante il XVIII secolo.

Il paradigma newtoniano stabiliva che la luce si comportava come un raggio di piccoli corpuscoli che viaggiavano ad alta velocità su percorsi rettilinei.

Robert Hooke (1635-1703) ha difeso la natura ondulatoria della luce, nei suoi studi sul colore e sulla rifrazione, affermando che la luce si comportava come un'onda sonora che si propagava rapidamente quasi istantaneamente attraverso un mezzo materiale.

Successivamente Huygens (1629-1695), sulla base delle idee di Hooke, consolidò la teoria ondulatoria della luce nel suo Traité de la lumière (1690) in cui suppone che le onde luminose emesse dai corpi luminosi si propagano attraverso di un mezzo sottile ed elastico chiamato etere.

La teoria delle onde di Huygens spiega i fenomeni di riflessione, rifrazione e diffrazione molto meglio della teoria corpuscolare di Newton e mostra che la velocità della luce diminuisce quando si passa da un mezzo meno denso a uno più denso.

Le idee di Huygens non furono accettate dagli scienziati all'epoca per due ragioni. La prima era l'impossibilità di spiegare in modo soddisfacente la definizione di etere, e la seconda era il prestigio di Newton intorno alla sua teoria della meccanica che ha influenzato la stragrande maggioranza degli scienziati a decidere di supportare il paradigma corpuscolare della luce.

Rinascita della teoria ondulatoria

All'inizio del XIX secolo, Tomas Young (1773–1829) riuscì a convincere la comunità scientifica ad accettare il modello ondoso di Huygens basato sui risultati del suo esperimento di interferenza della luce. L'esperimento ha permesso di determinare le lunghezze d'onda dei diversi colori.

Nel 1818 Fresnell (1788–1827) riformulò la teoria ondulatoria di Huygens in termini di principio di interferenza. Ha anche spiegato il fenomeno della birifrangenza della luce, che gli ha permesso di affermare che la luce è un'onda trasversale.

Nel 1808 Arago (1788-1853) e Malus (1775-1812) spiegarono il fenomeno della polarizzazione della luce dal modello ondoso.

I risultati sperimentali di Fizeau (1819-1896) nel 1849 e Foucalt (1819-1868) nel 1862 hanno permesso di verificare che la luce si propaga più velocemente nell'aria che nell'acqua, contraddicendo la spiegazione data da Newton.

Nel 1872, Maxwell pubblicò il suo Trattato sull'elettricità e il magnetismo, in cui affermava le equazioni che sintetizzano l'elettromagnetismo. Dalle sue equazioni ha ricavato l'equazione delle onde che gli ha permesso di analizzare il comportamento di un'onda elettromagnetica.

Maxwell ha scoperto che la velocità di propagazione di un'onda elettromagnetica è correlata al mezzo di propagazione e coincide con la velocità della luce, concludendo che la luce è un'onda elettromagnetica.

Infine, Hertz (1857-1894) nel 1888 riesce a produrre e rilevare onde elettromagnetiche e conferma che la luce è un tipo di onda elettromagnetica.

Cosa studia l'ottica fisica?

L'ottica fisica studia i fenomeni legati alla natura ondulatoria della luce, come l'interferenza, la diffrazione e la polarizzazione.

Interferenza

L'interferenza è il fenomeno per cui due o più onde luminose si sovrappongono, coesistendo nella stessa regione dello spazio, formando bande di luce chiara e scura.

Le bande luminose vengono prodotte quando più onde vengono sommate per produrre un'onda di ampiezza maggiore. Questo tipo di interferenza è chiamata interferenza costruttiva.

Quando le onde si sovrappongono per produrre un'onda di ampiezza inferiore, l'interferenza viene chiamata interferenza distruttiva e vengono prodotte bande di luce oscura.

Interferenza

Il modo in cui sono distribuite le bande colorate è chiamato pattern di interferenza. L'interferenza può essere vista in bolle di sapone o strati di olio su una strada bagnata.

Diffrazione

Il fenomeno della diffrazione è il cambiamento nella direzione di propagazione che l'onda luminosa subisce quando colpisce un ostacolo o si apre, alterandone l'ampiezza e la fase.

Come il fenomeno dell'interferenza, la diffrazione è il risultato della sovrapposizione di onde coerenti. Due o più onde luminose sono coerenti quando oscillano con la stessa frequenza mantenendo una relazione di fase costante.

Man mano che l'ostacolo diventa sempre più piccolo rispetto alla lunghezza d'onda, il fenomeno di diffrazione predomina sul fenomeno di riflessione e rifrazione nel determinare la distribuzione dei raggi dell'onda luminosa una volta che colpisce l'ostacolo .

Polarizzazione

La polarizzazione è il fenomeno fisico attraverso il quale l'onda vibra in un'unica direzione perpendicolare al piano contenente il campo elettrico. Se l'onda non ha una direzione di propagazione fissa, si dice che l'onda non è polarizzata. Esistono tre tipi di polarizzazione: polarizzazione lineare, polarizzazione circolare e polarizzazione ellittica.

Se l'onda vibra parallelamente a una linea fissa che descrive una linea retta nel piano di polarizzazione, si dice che sia polarizzata linearmente.

Quando il vettore del campo elettrico dell'onda descrive un cerchio nel piano perpendicolare alla stessa direzione di propagazione, mantenendo costante la sua ampiezza, si dice che l'onda è polarizzata circolarmente.

Se il vettore del campo elettrico dell'onda descrive un'ellisse nel piano perpendicolare alla stessa direzione di propagazione, si dice che l'onda è polarizzata ellitticamente.

Termini frequenti in ottica fisica

Polarizzante

È un filtro che consente il passaggio solo di una parte della luce orientata in una singola direzione specifica senza lasciar passare quelle onde orientate in altre direzioni.

Fronte d'onda

È la superficie geometrica in cui tutte le parti di un'onda hanno la stessa fase.

Ampiezza e fase dell'onda

L'ampiezza è l'allungamento massimo di un'onda. La fase di un'onda è lo stato di vibrazione in un istante di tempo. Due onde sono in fase quando hanno lo stesso stato di vibrazione.

Angolo Brewster

È l'angolo di incidenza della luce in base al quale l'onda luminosa riflessa dalla sorgente è completamente polarizzata.

infrarosso

Luce non visibile all'occhio umano nello spettro della radiazione elettromagnetica da 700 nm a 1000 μm.

Velocità della luce

È una costante di velocità di propagazione dell'onda luminosa nel vuoto il cui valore è 3 × 10 ⁸ m / s. Il valore della velocità della luce varia quando si propaga in un mezzo materiale.

Lunghezza d'onda

Una misura della distanza tra una cresta e un'altra cresta o tra una valle e un'altra valle dell'onda mentre si propaga.

ultravioletto

Radiazione elettromagnetica non visibile con spettro di lunghezze d'onda inferiori a 400 nm.

Leggi dell'ottica fisica

Di seguito vengono menzionate alcune leggi dell'ottica fisica che descrivono i fenomeni di polarizzazione e interferenza

Leggi di Fresnell e Arago

1. Due onde luminose con polarizzazioni lineari, coerenti e ortogonali non interferiscono tra loro per formare uno schema di interferenza.
2. Due onde di luce con polarizzazioni lineari, coerenti e parallele possono interferire in una regione dello spazio.
3. Due onde di luce naturale con polarizzazioni lineari, non coerenti e ortogonali non interferiscono tra loro per formare uno schema di interferenza.

Legge di Malus

La legge di Malus afferma che l'intensità della luce trasmessa da un polarizzatore è direttamente proporzionale al quadrato del coseno dell'angolo che forma l'asse di trasmissione del polarizzatore e l'asse di polarizzazione della luce incidente. In altre parole:

I = intensità della luce trasmessa dal polarizzatore

θ = Angolo tra l'asse di trasmissione e l'asse di polarizzazione del raggio incidente

I ₀ = intensità della luce incidente

Legge di Malus

Legge di Brewster

Il fascio luminoso riflesso da una superficie è completamente polarizzato, nella direzione normale al piano di incidenza della luce, quando l'angolo tra il fascio riflesso e il fascio rifratto è pari a 90 °.

Legge di Brewster

applicazioni

Alcune delle applicazioni dell'ottica fisica sono nello studio dei cristalli liquidi, nella progettazione di sistemi ottici e nella metrologia ottica.

Cristalli liquidi

I cristalli liquidi sono materiali che vengono mantenuti tra lo stato solido e lo stato liquido, le cui molecole hanno un momento di dipolo che induce una polarizzazione della luce che cade su di esse. Da questa proprietà sono stati sviluppati schermi per calcolatrici, monitor, laptop e telefoni cellulari.

Orologio digitale con display a cristalli liquidi (LCD)

Progettazione di sistemi ottici

I sistemi ottici sono spesso utilizzati nella vita di tutti i giorni, nella scienza, nella tecnologia e nella sanità. I sistemi ottici consentono di elaborare, registrare e trasmettere informazioni da sorgenti luminose come il sole, il LED, la lampada al tungsteno o il laser. Esempi di sistemi ottici sono il diffrattometro e l'interferometro.

Metrologia ottica

È responsabile dell'esecuzione di misurazioni ad alta risoluzione dei parametri fisici basati sull'onda luminosa. Queste misurazioni vengono effettuate con interferometri e strumenti rifrattivi. In ambito medico, la metrologia viene utilizzata per monitorare costantemente i segni vitali dei pazienti.

Ricerche recenti in ottica fisica

Effetto Kerker optomeccanico (AV Poshakinskiy1 e AN Poddubny, 15 gennaio 2019)

Poshakinskiy e Poddubny (1) hanno dimostrato che le particelle nanometriche con movimento vibratorio possono manifestare un effetto ottico-meccanico simile a quello proposto da Kerker et al (2) nel 1983.

L'effetto Kerker è un fenomeno ottico che consiste nell'ottenere una forte direzionalità della luce diffusa da particelle magnetiche sferiche. Questa direzionalità richiede che le particelle abbiano risposte magnetiche della stessa intensità delle forze elettriche.

L'effetto Kerker è una proposta teorica che richiede particelle materiali con caratteristiche magnetiche ed elettriche che attualmente non esistono in natura Poshakinskiy e Poddubny hanno ottenuto lo stesso effetto su particelle nanometriche, senza significativa risposta magnetica, che vibrano nello spazio.

Gli autori hanno dimostrato che le vibrazioni delle particelle possono creare polarizzazioni magnetiche ed elettriche che interferiscono in modo appropriato, poiché componenti di polarità magnetica ed elettrica dello stesso ordine di grandezza sono indotti nella particella quando si considera la diffusione anelastica della luce.

Gli autori propongono l'applicazione dell'effetto ottico-meccanico in dispositivi ottici nanometrici facendoli vibrare mediante l'applicazione di onde acustiche.

Comunicazione ottica extracorporea (DR Dhatchayeny e YH Chung, maggio 2019)

Dhatchayeny e Chung (3) propongono un sistema sperimentale di comunicazione ottica extracorporea (OEBC) in grado di trasmettere informazioni sui segni vitali delle persone attraverso applicazioni su telefoni cellulari con tecnologia Android. Il sistema è costituito da un set di sensori e un hub di diodi (array di LED).

I sensori sono posizionati su varie parti del corpo per rilevare, elaborare e comunicare segni vitali come polso, temperatura corporea e frequenza respiratoria. I dati vengono raccolti attraverso l'array di LED e trasmessi attraverso la fotocamera del cellulare con l'app ottica.

La matrice di LED emette luce nell'intervallo di lunghezze d'onda di diffusione Rayleigh Gans Debye (RGB). Ogni combinazione di colore e colore della luce emessa è correlata a segni vitali.

Il sistema proposto dagli autori può facilitare il monitoraggio dei segni vitali in modo affidabile, poiché gli errori nei risultati sperimentali sono stati minimi.

Riferimenti

1. Effetto Kerker Optomeccanico. Poshakinskiy, AV e Poddubny, A N. 1, 2019, Physical Review X, vol.9, pagg. 2160-3308.
2. Diffusione elettromagnetica da sfere magnetiche. Kerker, M, Wang, DS e Giles, C L. 6, 1982, Journal of the Optical Society of America, vol.73.
3. Comunicazione ottica extracorporea utilizzando le fotocamere degli smartphone per la trasmissione dei segni vitali umani. Dhatchayeny, D e Chung, Y.15, 2019, Appl. Opz., Vol.58.
4. Al-Azzawi, A. Physical Optics Principles and Practices. Boca Raton, FL: CRC Press Taylor & Francis Group, 2006.
5. Grattan-Guiness, I. Companion Encyclopedia of the History and Philosophy of the Mathematical Sciences. New York, USA: Routledge, 1994, Vol. II.
6. Akhmanov, SA e Nikitin, S Yu. Ottica fisica. New York: Oxford University Press, 2002.
7. Lipson, A, Lipson, SG e Lipson, H. Physical Optics. Cambridge, Regno Unito: Cambridge University Press, 2011.
8. Mickelson, A R. Physical Optics. New York: Springer Science + Business Media, 1992.
9. Jenkins, FA e White, H E. Fundamentals of Optics. NY: McGraw Hill Higher Education, 2001.