La luce e i suoi colori

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Ver. Marzo 2014
Corso di
Laboratorio di Fisica
prof. Mauro Casalboni
dott. Giovanni Casini
Università di Roma Tor Vergata ―
Corso di laboratorio di Fisica
Che cosa è la luce?
Questa è una domanda molto
antica……
Che cos’è la luce?
una cronologia
Maurolico, Keplero
Pitagora
Democrito
Euclide
Erone di Alessandria, Lucrezio
Tolomeo
Galilei, Snell, Cartesio,
Fermat, Grimaldi, Bartholin
Newton, Huygens
Ibn-Alhazen,
Avicenna
Young, Fresnel, Goethe
Maxwell, Fizeau
Einstein
XIX sec
XX sec
XVI sec
XVII sec
X sec
I sec d.C.
I sec a.C.
III sec a.C.
V sec a.C.
Meccanica
Quantistica
Newton
Newton sostiene una teoria corpuscolare della luce. Grazie
ai suoi esperimenti di dispersione della luce con i prismi è il
primo a capire che la luce bianca è una miscela dei diversi
colori dello spettro solare. Prima di lui si credeva che la
luce bianca fosse pura e i colori fossero generati dal
contrasto fra luce e ombra insieme al passaggio nel vetro.
Huygens
Huygens sostiene una teoria
ondulatoria della luce, grazie
alla quale riesce a spiegare la
riflessione e la rifrazione.
Inoltre formula il suo
famoso principio in base al
quale ogni punto del fronte
d’onda può essere
considerato una sorgente di
ampiezza infinitesima.
Young e Fresnel
• Young compie il primo
esperimento di
diffrazione della luce
• Fresnel sviluppa una
teoria adeguata a
spiegare le frange di diffrazione e interferenza: la
sua teoria segna l’affermazione definitiva della
teoria ondulatoria su quella corpuscolare.
Fizeau e Maxwell
• Fizeau eseguì la prima misura terrestre della velocità
della luce
• Maxwell scrisse le equazioni del campo
elettromagnetico. Ci si accorse che queste equazioni in
determinate condizioni indicavano la formazione di
onde elettromagnetiche. Presto si riuscirono a produrre
le onde radio, che furono poi sfruttate per le
comunicazioni.
• Di notevole importanza è il fatto che la velocità teorica
delle onde e.m. era vicina a quella della luce misurata da
Fizeau.
La luce come onda elettromagnetica
• Grazie agli esperimenti di Hertz si giunse ad
identificare la luce come un’onda
elettromagnetica di frequenza molto alta
• Il lavoro teorico di Kirchhoff diede una
formulazione del principio di Huygens basata
sulle equazioni di Maxwell
Einstein
• Einstein introdusse l’ipotesi che, in determinate
circostanze, la luce viaggiasse in “quanti” indivisibili di energia. Con l’ipotesi dei quanti di luce
spiegò diversi fenomeni, quali la fluorescenza e
l’effetto fotoelettrico. Successivamente dimostrò
che questi quanti dovevano avere anche un
momento, proprio come una particella.
• Compton misurò la quantità di moto dei
“fotoni”, come furono chiamati i quanti di luce.
La teoria attuale
• La luce può comportarsi sia come onda che
come corpuscolo, a seconda delle circostanze
• Luis De Broglie ipotizzo che tutte le particelle
microscopiche possedessero questa doppia
natura di onda e di corpuscolo, che oggi
chiamiamo dualità onda-corpuscolo
Che cosa è la luce?
Distinguere fra gli aspetti FISICI e quelli PERCETTIVI
Rispondere a questa domanda per i fisici significa
• capire chi la genera,
• descriverla isolando alcune sue caratteristiche
Chi produce la luce?
Le onde e.m. sono generate quando una carica elettrica si muove con moto
accelerato. In questa animazione la carica elettrica si muove di moto
armonico lungo un’antenna, per esempio l’antenna del vostro cellulare,
producendo un’onda elettromagnetica che irradia nello spazio circostante.
Le equazioni che descrivono questo fenomeno sono le equazioni di
Maxwell. Esse descrivono l’onda elettromagnetica attraverso i campi
elettrico e magnetico, rispettivamente rappresentati in blu e rosso. In
generale i due campi oscillanti sono perpendicolari uno all’altro, come si
vede nell’animazione. Inoltre ambedue sono perpendicolari alla direzione di
propagazione.
La luce è quindi un’onda
elettromagnetica in grado di
• Viaggiare nel vuoto
• Interagire con la materia
La materia come
La luce come
“inizio” della luce
“fine” della luce
mezzo per studiare la materia
Che caratteristiche ha la luce?
Frequenza
Lunghezza d’onda
λ
T è il periodo, la
durata di
un’oscillazione
ν = 1/T
ν è la frequenza
λ è la lunghezza d’onda
Che caratteristiche ha la luce?
Velocità
λν = c
λ crescente
ν crescente
Visione fotopica (giorno)
Visione scotopica (notte)
Visione scotopica e fotopica
Due immagini della stessa
fontana prese di giorno e di sera,
con opportuna esposizione.
No! Le macchine fotografiche
non sono come l’occhio, i colori
cambierebbero solo a causa della
diversa illuminazione presente di
giorno e di notte.
L’immagine inferiore è stata
ottenuta dalla superiore tramite
manipolazione digitale:
togliendo il rosso, diminuendo
intensità, luminosità e
saturazione dei colori.
Se vedessimo l’infrarosso….
Naturalmente l’infrarosso non corrisponde a nessun colore percepito.
L’immagine nell’infrarosso, registrata con apposite termocamere, mostra
che l’emissione infrarossa è alta (rosso) nelle zone più calde del corpo del
gatto, bassa nella pelliccia (calda ma isolante) e molto bassa nella punta del
naso, fredda a causa della continua evaporazione del liquido umettante.
Se vedessimo l’infrarosso….
Viceversa le immagini all’infrarosso
ci permettono di studiare la temperatura delle varie zone di un corpo
senza toccarlo, un aspetto tecnologico molto importante per controllare come è distribuito il calore.
Nella foto accanto possiamo vedere
l’alta temperatura raggiunta dalla
«pancia» dello Shuttle, rivestita con
apposito materiale resistente alle alte
temperature che ne costituisce lo
scudo termico. Il riscaldamento è
dovuto all’attrito con l’aria durante
la discesa nell’atmosfera.
Ci dobbiamo invece limitare ….
Vetri romani I sec d.C.
©National Geographic
Cattedrale di Chartres
XIII secolo
Anatomia dell’occhio umano
G = 100
G = 20
R = 40
R = 100
B = 20
B = 0
saturazione
luminosità
tonalità
La finestra di personalizzazione dei colori del sistema operativo Windows
i colori
Sintesi additiva
Sintesi sottrattiva
Sintesi additiva dei colori
• Aprite un porgramma per
disegnare, come Paint
• Scegliete di creare un nuovo file;
si aprirà uno spazio bianco dove
disegnare
• Osservate con una lente
d’ingrandimento un punto dove
lo schermo è bianco
• L’ingrandimento deve essere
sufficiente per distinguere i pixels
del monitor
• Di che colore sono?
magenta
giallo
ciano
Sintesi sottrattiva dei colori
• Aprite paint o un altro programma per
disegnare, create una forma circolare o
quadrata
• Per riempirla con un colore secondario
aprite la palette per creare un colore
personalizzato
• Per creare il ciano inserite Rosso=0,
Verde=255, Blu=255, quindi usatelo per
riempire la forma
• Fate lo stesso per creare la forma gialla
(blu=0) e quella magenta (verde=0)
• Stampate le forme su lucido per inkjet e
usatele sovrapponendole su un foglio di
carta o sulla lavagna luminosa
verde
blu
rosso
Trasmissione
Rifrazione
Riflessione
Diffusione
Trasmissione
Rifrazione
Riflessione
Diffusione
Trasmissione
Rifrazione
Riflessione
Diffusione
Trasmissione
Rifrazione
Riflessione
Diffusione
Trasmissione
Rifrazione
Riflessione
Diffusione
Raggio visivo: è uno dei raggi che entra nell’occhio, in genere intendiamo
quello su focalizziamo la nostra attenzione. È ovvio che possiamo vedere solo
i raggi che entrano nel nostro occhio. Come mai vediamo il cammino dei
raggi in alcune circostanze?
Possiamo osservare il cammino dei raggi che non entrano nel nostro occhio
grazie alla diffusione: il raggio deve avere intensità sufficiente affinché la
luce diffusa superi quella ambiente; per esempio un singolo raggio solare in
un ambiente in penombra mostrerà la diffusione da parte del pulviscolo
atmosferico e la diffusione di un raggio laser può essere evidenziata
spargendo della polvere (talco, gesso) lungo il suo cammino.
È importante capire che osservare
il raggio (solare o laser) come oggetto
esterno tramite la diffusione non è
come guardare il sole o far entrare il
laser nell’occhio (cose entrambe da
non fare assolutamente!)
Trasmissione
Rifrazione
Riflessione
Diffusione
LUMINESCENZA
Giudizio Universale: immagine nel VIS (left) e in fluorescenza indotta UV (right):
l'azzurro di lapislazzuli, utilizzato da Michelangelo, è riconoscibile dalla presenza
di una fluorescenza bianco-verdastra
A cosa serve la luce?
Tagliare, saldare
Curare
Produrre energia
Misurare le distanze
Comunicare
Ricordare
Calcolare
Misurare l’inquinamento
Studiare la materia
Studiare l’universo
…..
…..
Contributors (involontari…):
http://www.boscarol.com/pages/cs/index.html
http://www.fis.unipr.it/seminari_scuole/2005/materia/proprottiche2005.pdf
http://www.ee.iastate.edu/~hsiu/em_movies.html
http://optoweb.fis.uniroma2.it/
http://www.ilmondodelletelecomunicazioni.it/propagazione_file/propagazione.htm
http://www.carla146.it/

La luce e i suoi colori

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