LA LUCE E LA RIFRAZIONE

La Luce e La Rifrazione

spiegata da Albert Einstein

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Indice

1. La Luce

6. La Rifrazione

11. Lenti

12. Potere Diottrico

7. Legge di Snell-Cartesio

2. Varie Teorie

13. Equazioni e ingrandimenti delle lenti

8. La rifrazione nelle Lastre

3. Velocità della Luce

4. Luce Visibile

9. La rifrazione nei Prismi

14. Bibbliografia

5. Super Colla di Fotoni

10. Riflessione Totale

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La LUCE

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DEfinizione

La luce è una radiazione elettromagnetica che si propaga nel vuoto e in varie forme; i raggi che percepisce l’occhio umano hanno una lunghezza d'onda compresa tra circa 400 e 800 nm.

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Varie teorie

Modello Corpuscolare

Isaac Newton, XVII secolo

Modello Ondulatorio

Christiaan Huygens, 1678 d.C.

Albert Einstein, 1905 d.C.

In Linea Retta

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Velocità della luce e costanti

La luce, come ha detto Huygens, si può vedere come costituita da onde elettromagnetiche. La velocità della luce (c = 300.000 km/s nel vuoto) è una costante fisica, ovvero non cambia al variare del sistema di riferimento. Per la sua natura di onda, la luce ha dei picchi e delle gole, cioè i punti di massima e minima ampiezza. La distanza fra due picchi è la lunghezza d’onda (λ e si musare in metri), mentre la frequenza d’onda (ν) è il numero di oscillazioni in un secondo, misurata in hertz (Hz). V e λ sono inversamente proporzionali infatti: λ = c/ν.

La legge di Planck dice che la frequenza è direttamente proporzionale all’energia del fotone (E = hν dove h è una costante uguale a 6,626x 10-34 J s).

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luce visibile

A seconda della lunghezza d’onda, possiamo distinguere diverse radiazioni, che formano lo spettro elettromagnetico. La luce visibile dall’occhio umano va da 380 nm (colore violetto) e 750 nm (colore rosso), e comprende tutti i colori. Altri organismo percepiscono anche lunghezze d'onda diverse, come l’infrarosso (IR, che crescendo ancora diventano onde radio usate per la comunicazione) e l’ultravioletto (UV, andando oltre si arriva ai raggi X e Gamma che sono nocivi per l'uomo).

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Super colla di fotoni

Visto che due cariche negative si respingono per poter formare corpi come gli atomi, con legami al loro interno, è necessaria una “colla”, che compensa le repulsioni e permetta di tenerli uniti. In uno studio pubblicato da Nature Physics, un team internazionale di ricerca, con la collaborazione di vari istituti Cnr, è stato dimostrato per la prima volta che i fotoni possono compiere questo speciale compito di collante, creando il Photon Bound Exciton,una nuova forma di materia.

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Super colla di fotoni

Il team è guidato da Raffaele Colombelli del Cnrs e aveva il compito di confermare il funzionamento di un nano-device, teorizzato solo un anno prima. Per fare questo hanno sintetizzato un dispositivo nanometrico, che poi hanno chiuso tra due specchi d’oro che poi ha intrappolato i fotoni. È stato visto che gli elettroni si legavano con i fotoni e che rimaneva bloccato e aveva anche una carica elettrica stabile. Questo esperimento ha confermato quello che Einstein aveva teorizzato con l’effetto fotoelettrico, questo prova la possibilità di creare atomi ed elementi artificiali.

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La rifrazione

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DEfinizione

La rifrazione è quando un raggio di luce viene deviato nel momento in cui passa da un corpo a un altro con diversa densità. Questo accade perchè la velocità della luce cambia. infatti v (cioè la velocità in un mezzo) e inversamente proporzionale all'indice di rifrazione (n). v = c/n

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legge di snell-cartesio

Anche comunemente chiamata legge della rifrazione fu teorizzata e sperimentata dai due scenziati intorno al 1621 e diche che il seno dell'angolo incidente θ1 (che va dalla normale al raggio incidente) moltiplicato all'indice di rifrazione di n1 è uguale al seno dell'angolo rifratto θ2 (che va dalla normale al raggio rifratto) moltiplicato all'indice di rifrazione di n2. n1 x sen θ1 = n2 x sen θ2

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Rifrazione nelle lastre

Quando un raggio attraversa una lastra in vetro subisce due rifrazioni: una quando la incontra (da aria a vetro) e una quando esce (da vetro ad aria). Visto che le superfici della lastra sono parallele il raggio uscente sarà parallelo a quello incidente, subirà solo uno spostamento laterale che è dipendente dallo spessore della lastra e dal suo indice di rifrazione.

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Rifrazione nei prismi

Quando il raggio attraversa un prisma, le cui superfici non sono parallele ma inclinate, questo viene rifratto sempre due volte ma il raggio uscente non subirà una deviazione di versà è quindi non sarà parallelo al raggio incidente.

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Riflessione totale

Avviene in 3 casi: -quando un raggio di luce si propaga in acqua e incide sulla superficie di separazione con l’aria, una parte di esso viene riflesso indietro nell’acqua, mentre un’altra parte emerge dall’acqua allontanandosi dalla normale. Quindi aumentando l’angolo di incidenza (fino ad un certo limite) si aumenta anche l’angolo di rifrazione. -quando l’angolo di incidenza raggiunge il valore limite, il raggio rifratto diventa parallelo alla superficie di separazione dei due corpi. Questo accade quando l’angolo di rifrazione è di 90°.

-quando l’angolo di incidenza supera il valore limite, non c'è più rifrazione e tutta la luce viene riflessa nell’acqua: questo fenomeno prende il nome di riflessione totale.

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Lenti convergenti e divergenti

Una lente è un corpo trasparente che riesce a modificare la traiettoria di un raggio, è limitato da due superfici curve o da una superficie piana e una curva. Le lenti possono essere: convergenti (convesse) = i raggi paralleli vengono fatti convergere in un punto, detto fuoco, che si trova dietro alla lente. divergenti (concave) = producono la dispersione dei raggi paralleli, come se provenissero da una sorgente puntiforme, posta nel fuoco davanti alla lente.

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VS

Divergenti

COnvergenti

Se la lente è convergente, l'immagine che si ottiene dipende dalla posizione dell’oggetto: - l’immagine è reale (quindi dall’altra parte della lente rispetto all’oggetto), -capovolta e ingrandita o rimpicciolita a seconda della posizione rispetto al fuoco.

Se la lente è divergente, l’immagine riflessa è sempre virtuale a prescindere dalla posizione dell’oggetto (dato che si trova dallo stesso lato del corpo rispetto alla lente), diritta e più piccola.

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Potere diottrico

Il potere diottrico rappresenta la sua capacità di rifrangere la luce ed è inversamente proporzionale alla sua distanza focale (si calcola in diottrie m-1). potere diottrico = 1 / f La distanza focale è positiva per le lenti convergenti e negativa per le lenti divergenti. Questo vale anche per il potere diottrico.

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Equazioni e ingrandimenti delle lenti

Le distanze di un oggetto e di un’immagine da una lente sono relazionate con un equazione simile a quella degli specchi. 1 / do+ 1 / di= 1 / f . di: è positiva per le immagini reali; è negativa per le immagini virtuali.

L’ingrandimento G di una lente è il rapporto tra l’altezza (hi) dell’immagine e l’altezza (ho) dell’oggetto ed è relazionato alle distanze. G = hi / ho= - di / do . Grazie all’ingrandimento possiamo sapere di quanto un’immagine è ingrandita o ridotta. Il suo segno indica l’orientamento dell’immagine. Se G è negativo l’immagine è capovolta.

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Bibbliografia

Consiglio Nazionale delle Ricerche (2020), Una "colla" composta di fotoni, per tenere insieme la materia, https://www.cnr.it/it/comunicato-stampa/9696/una-colla-composta-di-fotoni-per-tenere-insieme-la-materia.

la Repubblica (2020), Una 'super colla' di fotoni per tenere insieme la materia, https://www.repubblica.it/scienze/2020/10/05/news/una_super_colla_di_fotoni_per_tenere_insieme_la_materia-269551131/

Studenti (2019), La luce: storia, velocità e trasmissione, https://www.studenti.it/ottica.html#:~:text=La%20teoria%20ondulatoria%20formulata%20da,formato%20da%20microscopiche%20particelle%20elastiche.

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Bibbliografia

WeSchool (2021), Luce: caratteristiche fisiche. Gli spettri di rifrazione, emissione e assorbimento., https://library.weschool.com/lezione/luce-lunghezza-frequenza-onda-fotoni-legge-planck-boltzmann-4035.html.

lAndrea Minimi (non trovato), La rifrazione della luce, https://www.andreaminini.org/fisica/luce/rifrazione-luce.

Studenti (2019), La rifrazione: significato e spiegazione, https://www.studenti.it/rifrazione.html.

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Bibbliografia

Studenti (2019), Le lenti: definizione e tipi, https://www.studenti.it/lenti.htmll.

Walker, J. (2021). Il Walker, Corso di Fisica Primo Biennio, pagine da 231 a 248, Milano, Pearso

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Grazie per l'attenzione

PROPAGAZIONE IN LINEA RETTA DI EINSTEIN

Albert Einstein, dopo che Max Planck aveva teorizzato i fotoni, studiò l'effetto fotoelettrico e mostrò che non sono solo il risultato di calcoli matematici ma che i fotoni erano oggetti reali capendo che erano "particelle prive di massa, con carica elettrica nulla e spin intero, e sono il costituente elementare della radiazione elettromagnetica". Con l'arrivo delle teorie quantistiche il concetto di fotone venne formalizzato ed oggi sta alla base dell'ottica quantistica.

Vista la complessità della luce teorizzata in questo modo, i fisici hanno deciso di fare dei modelli, che li rendono veri sotto determinate condizioni, che ne semplificano i risultati e rendono sempre veri. In particolare i fenomeni della riflessione e della rifrazione seguono leggi di relazioni geometriche.

La spettroscopia è la scienza che studia le caratteristiche delle onde luminose facendo uso dello spettro. Lo spettro è un disegno su una lastra fotografica che rappresenta quando una luce bianca attraversa un prisma. Si usano diversi tipi di spettri per esaltare diversi aspetti della sorgente luminosa. Ovviamente noi osserviamo soltanto la luce visibile. Lo spettro di emissione continuo rappresenta le lunghezze d’onda di un corpo nero, il quale è un oggetto, in teoria, in grado di assorbire ed emetterle tutte (anche quelle non visibili). Le stelle si comportano quasi come tali.

TEORIA ONDULATORIA O DI HUYGENS

La teoria ondulatoria formulata da Huygens nel 1678 sostiene che la luce è come un'onda che si propaga (simile a come fanno quelle acustiche) in un mezzo, chiamato etere, si credeva che coprisse tutto l'universo e che fosse formato da microscopiche particelle elastiche. Questa teoria sembra molto corretta perché poteva spiegare un gran numero di fenomeni (nel 1801 Thomas Young ci dimostrò la diffrazione e l'interferenza cosa non possibile con la teoria corpuscolare) ed in particolare la riflessione ed alla rifrazione. Inoltre la teoria ondulatoria prevede che la luce si propaghi più lentamente all'interno di un corpo rispetto che nel vuoto.

Però era ben noto che le onde sono capaci di aggirare gli ostacoli mentre si sapeva che la luce non ne era in grado(proprietà già notata da Euclide nel suo Optica). Questa problema veniva parzialmente spiegato supponendo che la luce abbia una lunghezza d'onda microscopica.

TEORIA CORPUSCOLARE O DI NEWTON

Newton diceva che la luce avesse una natura “materiale” o corpuscolare, cioè che fosse costituita da un flusso di particelle microscopiche. Tale flusso viene emesso continuamente dalle sorgenti e si propaga uniformemente in linea retta (questo giustifica ombre ed eclissi), rimbalza contro gli oggetti (per la riflessione e la diffusione), ma riesce a passare attraverso corpi trasparenti o traslucidi. per la rifrazione le particelle incidenti sul materiale rifrangente subiscono delle forze perpendicolari alla superficie che ne cambiano la traiettoria. I colori dell'arcobaleno venivano spiegati tramite l'introduzione di un gran numero di corpuscoli di luce diversi (uno per ogni colore) ed il bianco era pensato come formato da tante di queste particelle.

Questa teoria di Newton però aveva dei problemi:

• Le particelle di luce dovrebbero avere proprietà identiche nel vuoto ma diverse all'interno della materia.
• La luce per via dell'accelerazione gravitazionale dovrebbe aumentare la sua velocità quando si propaga all'interno di un corpo.