CORSO DI FISICA TCNICA II
AA 2009/10
ILLUMINOTECNICA
Lezione n° 1: Natura della luce
Prof. Paolo Zazzini
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Doppia natura della luce:
vx
ONDULATORIA e CORPUSCOLARE
Teoria corpuscolare (Newton 1643-1727):
vx
vy
vy
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
Spiega la riflessione con la teoria degli urti
elastici (conservazione della q.d.m.)
Non è in grado di spiegare la rifrazione
vx
vy
aria
vx
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
acqua
vy
Aumento della velocità della luce passando da un mezzo meno denso ad uno più denso
Due secoli più tardi FOUCAULT dimostrò sperimentalmente il contrario !!
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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 (3x10 8 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)
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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.
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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 + E a + E t
Ei
Ei / Ei = (Er + Ea + Et) / Ei
Et
Er
a : coefficiente di assorbimento = Ea / Ei
Ea
r : coefficiente di riflessione = Er / Ei
a+r+t=1
t : coefficiente di trasmissione = Et / Ei
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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
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SPETTRO ELETTROMAGNETICO
10-6 nm
Raggi
cosmici
1 nm
Raggi
g
Raggi
x
1 cm
UV
IR
Microonde
1 km
UHF
VHF Onde
corte
Onde
lunghe
FINESTRA OTTICA
Radiazioni visibili
380 Violetto
Blue
Verde
Giallo
Arancio
Rosso
780 nm
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
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FENOMENO DELLA VISIONE
Determinato da fattori oggettivi:
Intensità della radiazione incidente nell’occhio
e soggettivi:
Sensibilità dell’occhio alle radiazioni visibili
CAPACITA’ VISIVE
La radiazione visiva incide sulla CORNEA (membrana
trasparente)
La lente elastica retrostante (CRISTALLINO) modifica
il raggio di curvatura mettendo a fuoco l’immagine
Le radiazioni incidenti sulla cornea vengono rifratte
verso la RETINA dove si trovano i fotoricettori
concentrati nella FOVEA
Sulla retina si produce una immagine rovesciata che
viene inviata al cervello dove viene raddrizzata
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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
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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
v()
VISIBILITA’ V()
Massima al centro e minima ai lati serve a
misurare la capacità visiva dell’occhio
1.0
0.9
Fotopica
Scotopica
0.8
0.7
0.6
0.5
Coefficiente di VISIBILITA’
0.4
v() = V() /Vmax
0.3
Varia da 0 (a 380 e 780 nm) a 1 (al centro
dello spettro)
0.2
0.1
0.4
0.51 0.55
(mm)
0.7
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