NATURA DELLA LUCE
Nel corso del tempo diverse sono state le teorie formulate per spiegare la luce ed il
suo comportamento.
La teoria corpuscolare, messa a punto da Newton, è basata sull'ipotesi che la luce è
costituita da particelle estremamente piccole, emesse dai corpi luminosi, soggette alle
leggi della meccanica.
La teoria ondulatoria, dovuta a Huygens, spiega i fenomeni luminosi interpretandoli
sotto l’ipotesi di una natura ondulatoria, ossia che la luce è un'onda che si propaga in un
mezzo. In apparente assenza di questo mezzo si assume l'esistenza dell' "etere".
La teoria elettromagnetica, formulata da Maxwell, sostiene che le onde luminose, già
ipotizzate da Huygens, sono elettromagnetiche e non necessitano di un mezzo
trasmissivo. Secondo questa teoria, ancora oggi largamente utilizzata, la luce è una parte
dello spettro elettromagnetico.
La teoria quantistica, dovuta a Planck ed Einstein, ipotizza che l’emissione e
l’assorbimento della luce avviene mediante "pacchetti d’onda" con energia e durata ben
definiti, chiamati quanti di luce o fotoni.
Nella maggioranza dei casi il comportamento della luce è quello tipico
elettromagnetico ma in certi fenomeni le proprietà corpuscolari dei fotoni risultano
predominanti. Questo è noto come dualismo onda-corpuscolo.
La teoria elettromagnetica e quella quantistica sono in perfetto accordo se si ipotizza
che l'ampiezza di un campo (elettrico o magnetico) in un certo punto ed in un certo
istante è proporzionale alla probabilità (funzione d'onda) di trovarvi un fotone.
Spettro elettromagnetico
La figura 1 riporta lo spettro elettromagnetico sia con riferimento alla lunghezza
d’onda sia alla frequenza.
Il campo di interesse della Fotonica, detto campo ottico, è quello compreso fra
l'ultravioletto ed il lontano infrarosso. Si osservi che il campo del visibile occupa una
porzione molto limitata del campo ottico. Spesso, anche se impropriamente, si parla di
"luce" anche quando l'onda elettromagnetica non è visibile ma compresa nell'intervallo
sopra indicato.
Velocità della luce ed indice di rifrazione
La lunghezza d'onda nel vuoto λ0 e la frequenza ν sono legate dalla velocità della
luce nel vuoto c:
λo · ν = c
(1)
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Si osserva sperimentalmente, e lo si può dimostrare, che quando la propagazione
della luce avviene in un materiale diverso dal vuoto, comunemente chiamato mezzo, la
velocità diminuisce.
Fig. 1
Si definisce indice di rifrazione, e si indica con n, il rapporto tra la velocità della luce
nel vuoto e la velocità nel mezzo:
n=c/v
Pertanto quando la propagazione avviene in un mezzo di indice di rifrazione n la (1)
diventa:
λn · ν = c / n
(2)
e dal rapporto fra le (2) e (1):
λn = λo / n
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ossia la lunghezza d’onda diminuisce quando la luce viaggia in un mezzo diverso dal
vuoto, essendo i mezzi dielettrici caratterizzati da un indice di rifrazione maggiore di 1.
La tabella 1 riporta gli indici di rifrazione (nel campo del visibile) di alcuni materiali.
Materiale
n
Materiale
n
aria
1,0003
cloruro di sodio
1,54
acqua
1,33
vetro "flint leggero"
1,57
alcol metilico (metanolo)
1,33
bisolfuro di carbonio
1,62
alcol etilico (etanolo)
1,36
vetro "flint medio"
1,63
fluoruro di magnesio
1,38
vetro "flint denso"
1,66
quarzo fuso
1,46
zaffiro
1,77
vetro pyrex
1,47
vetro "flint molto denso"
1,73
benzene
1,50
vetro "flint estremamente denso"
1,89
dimetilbenzene (xilene)
1,50
solfuro di zinco (film sottile)
2,3
vetro "crown"
1,52
biossido di titanio (film sottile)
balsamo del Canada (cemento ottico)
1,53
2,4 – 2,9
Tab. 1
Dispersione
L’indice di rifrazione varia lentamente (se non si verificano fenomeni risonanti) al
variare della lunghezza d’onda, come per esempio riportato in Figura 3 per tre differenti
tipi di vetro. Questo fenomeno prende il nome di dispersione.
Fig. 3
Per la maggior parte dei mezzi trasparenti e non colorati vale una relazione del tipo:
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b
,
λ2
con a e b coefficienti opportuni che dipendono dal materiale.
n (λ ) = a +
Energia del fotone
Per la teoria quantistica, l’energia associata al singolo fotone è:
−6
hc 1,98 ⋅ 10 −25
[J ] = 1,24 ⋅ 10 [eV]
E = hν =
=
λ0
λ0
λ0
nell'ipotesi che λ0 sia espresso in metri e noto che:
h (costante di Planck ) ≈ 6,626·10-34 J·s,
c (velocità della luce nel vuoto) ≈ 3·108 m/s,
1 eV ≈ 1,6 · 10-19 J
Coerenza temporale e spaziale
Si definisce coerenza temporale l'intervallo di tempo medio nel quale è probabile che
un'onda non subisce un cambiamento di fase casuale. In questo intervallo di tempo
l'onda percorre un certo cammino, detto di coerenza spaziale.
Entro il campo di coerenza spaziale è possibile stabilire una relazione di fase fra onde
in punti differenti in un certo istante.
Viceversa, entro il campo di coerenza temporale è possibile stabilire una relazione di
fase fra onde in un certo punto in tempi differenti.
La coerenza spaziale della luce generata dagli oscillatori ottici (laser) può
raggiungere parecchie decine di metri, contrariamente a quanto avviene per la luce
generata dalle sorgenti convenzionali.
La coerenza spazio-temporale finita giustifica la limitazione dei fenomeni di
interferenza.
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