SCIENZE - OTTICA - ELEMENTI DI OTTICA

PRESENTAZIONE

L'ottica è quella branca della fisica che studia la luce (o più esattamente le radiazioni luminose) e i fenomeni a cui essa dà luogo. Senza la luce non sarebbe possibile la vita; infatti la fotosintesi clorofilliana si svolge in presenza di luce e, attraverso le radiazioni luminose, parte del calore solare raggiunge la terra riscaldandola.
Di tutti i nostri sensi, quello che ci mantiene in maggior contatto con la vita esterna è la vista.
Ma se non ci fosse il Sole a illuminare la Terra di giorno, né altre sorgenti luminose, per noi non esisterebbe che il buio assoluto.
Noi vediamo gli oggetti perché da essi partono radiazioni luminose che giungono al nostro occhio. Quando, entrando in una stanza buia, giriamo l'interruttore, noi possiamo vedere non soltanto la lampadina accesa ma tutto ciò che si trova nella stanza. La lampadina è una sorgente di luce, o meglio un corpo luminoso, mentre tutti gli altri oggetti, pur non emettendo luce, hanno la capacità di diffondere in tutte le direzioni quella ricevuta dalla lampadina.
Questi oggetti non sono corpi luminosi ma corpi illuminati.
Molti oggetti che normalmente non emettono luce possono diventare sorgenti luminose in particolari condizioni. Il filamento di una lampada non è un corpo luminoso ma diventa tale solo quando è reso incandescente dalla corrente elettrica.
Un pezzo di ferro non trasmette luce, ma a contatto con il fuoco esso si surriscalda e si arroventa diventando una sorgente luminosa. Caratteristici esempi di corpi illuminati sono la Luna e i Pianeti, i quali non emettono luce propria ma, illuminati dal Sole, diffondono questa luce in tutte le direzioni.
Ogni corpo può emettere luce se è portato ad una temperatura sufficientemente elevata, e questa luce diventa sempre più intensa e più chiara man mano che la temperatura del corpo aumenta. La determinazione della temperatura si calcola tramite una valutazione del colore della luce che essa irradia; per questo scopo si usa uno speciale apparecchio, lo spettroscopio. Oltre ai corpi caldi esistono anche altri tipi di sorgenti luminose. Un gas in particolari condizioni (ad esempio con il passaggio di una scarica elettrica), emette luce, anche se la sua temperatura è molto bassa; sorgenti di questo tipo sono la maggior parte delle insegne luminose (tubi al neon).
L’occhio e la vista

L’occhio e la vista (english version)

La vista nei pesci

La vista nei pesci (english version)

La palpebra nell’uomo e negli animali

La vista negli animali e nell’uomo

CORPI TRASPARENTI E OPACHI

La luce può propagarsi attraverso certi corpi senza subire particolari cambiamenti. Guardando attraverso il vetro di una finestra, la luce giunge ai nostri occhi in quanto le lastre di vetro sono trasparenti. Se però lo spessore di queste aumentasse, ai nostri occhi giungerebbe meno luce, perché lo spessore del vetro renderebbe la lastra meno trasparente.
Per questo motivo nelle profondità marine regna il buio più assoluto: la luce solare non riesce a penetrare in profondità nelle acque oceaniche a causa dello spessore dell'acqua che le sovrasta.
Si chiamano invece opachi i corpi che non lasciano passare la luce. Una tavoletta di legno non è trasparente alla luce, perché in parte la assorbe e in parte la riflette; è facile osservare come tutte le sostanze opache, poste davanti a una sorgente luminosa, producano ombra.
Tra queste due categorie ve ne è una intermedia, quella dei corpi translucidi, i quali, pur lasciando passare la luce, non permettono di distinguere gli oggetti.
Le distinzioni tra corpi opachi e corpi trasparenti non sono assolute poiché l'opacità o meno di un corpo dipende anche dal suo spessore.

LA LUCE

Anche la luce è una forma di energia così come lo è il calore. La luce emessa dal Sole giunge alla Terra dopo aver percorso, nello spazio, 150 milioni di chilometri.
Questo dimostra che la luce può propagarsi nel vuoto, a differenza del suono che si propaga soltanto nella materia (aria, acqua).
L'esperienza scientifica dimostra che la luce in un mezzo omogeneo si propaga, in ogni direzione, in linea retta. Infatti, se un piccolo fascio di luce attraversa un forellino di una imposta, questo segna un cammino rettilineo e anche se questo spiraglio fosse piccolissimo avremmo un raggio di luce visibile in quanto capace di illuminare il pulviscolo atmosferico che è nell'aria.
Se però immergiamo in un bicchiere d'acqua una matita, essa ci apparirà spezzata nel punto in cui tocca la superficie liquida. Questo fenomeno è chiamato rifrazione ed è determinato dal passaggio dei raggi luminosi attraverso due mezzi trasparenti diversi (aria e acqua, aria e vetro): in questo caso i raggi luminosi non si propagano più secondo la stessa retta, ma vengono deviati.
Quindi questo raggio di luce che incide su una superficie di materiale diverso (aria-acqua, aria-vetro), si divide in due raggi: un raggio riflesso e un raggio rifratto; entrambi hanno direzione diversa da quella del raggio iniziale ma, mentre il raggio riflesso si propaga nel primo mezzo, il raggio rifratto si propaga nel secondo.

RIFLESSIONE DELLA LUCE

Se facciamo cadere un raggio luminoso su di uno specchio (che è un corpo opaco), noteremo che esso rimbalza, o meglio ancora, che viene riflesso. Il raggio di luce che arriva sullo specchio si chiama raggio incidente (cioè raggio che cade) e quello che rimbalza dallo specchio si definisce raggio riflesso.
Tramite la legge della riflessione possiamo trovare la direzione del raggio riflesso, una volta vista la direzione del raggio incidente, e il punto in cui esso incontra la superficie di separazione dei due mezzi.
Per vedere il comportamento del raggio incidente e del raggio riflesso basta eseguire un semplice esperimento.
Occorre una torcia elettrica sul cui vetro si è incollato un cartoncino con un piccolo foro per ottenere un piccolo fascio di luce; occorre inoltre uno specchio appoggiato su un tavolo ed un cartone perpendicolare allo specchio. Il punto in cui il raggio incidente colpisce lo specchio è chiamato punto d'incidenza.
La perpendicolare allo specchio passante per quel punto forma l'angolo del raggio incidente che sarà uguale all'angolo del raggio riflesso; la perpendicolare al piano d'incidenza, il raggio riflesso e il raggio incidente giacciono sempre sullo stesso piano.

LE LUCI E I COLORI

Se un raggio di luce colpisce un prisma di cristallo, esso non subirà una semplice riflessione, non rimbalzerà cioè sulla trasparente superficie del prisma, ma penetrerà in esso; all'uscita non ci sarà più un solo raggio bensì un fascio di raggi, dotato di tutti i colori dell'arcobaleno. I due colori estremi saranno il rosso e il violetto, anche se essi non sono i veri limiti dello spettro solare; al di là del violetto ci sono gli ultravioletti, mentre al di là del rosso ci sono gli infrarossi che sono la componente termica della luce, poiché attraverso di essi si irradia il calore del sole. L'arcobaleno che spesso vediamo dopo i temporali è dovuto al fenomeno della dispersione: le goccioline di pioggia che ancora restano sospese nell'aria scompongono i raggi del sole nei sette colori dell'iride: rosso, arancio, giallo, verde, azzurro, indaco e violetto. Da questo deriva che il colore bianco è il risultato della mescolanza dei vari colori. Infatti se costruiamo un disco di Newton e lo facciamo ruotare, i colori presi singolarmente scompariranno e si vedrà un colore bianco uniforme.
La luce del sole quindi è composta da tutti questi colori. Quando questa luce colpisce un corpo qualsiasi, in parte viene assorbita e in parte riflessa se il corpo è opaco, oppure continua nella sua direzione se il corpo è trasparente. Quindi le piante sono di colore verde poiché assorbono tutti i colori tranne il verde; un altro corpo ci appare giallo poiché assorbe tutti i colori tranne il giallo, che viene diffuso; se un corpo assorbe tutti i colori e non ne diffonde nessuno questo ci apparirà nero, mentre se non ne assorbe nessuno apparirà bianco.
Lo spettro della luce

L'arcobaleno in un paesaggio campestre

La percezione del colore

LO SPETTROSCOPIO

È uno strumento che permette di produrre e di osservare visivamente (sia raccogliendoli su uno schermo, sia formandoli con un piccolo cannocchiale) gli spettri delle radiazioni luminose.
Ponendo una lastra fotografica in luogo dello schermo si ha lo spettrografo.
Lo spettro ottenuto nell'esperienza sulla dispersione della luce è lo spettro solare. Si possono però ottenere spettri anche usando sorgenti luminose diverse dal Sole; sono spettri differenti, le cui caratteristiche dipendono dal tipo di luce emessa dalla sorgente.
Dopo la scoperta dello spettro solare per opera di Newton (1666), si è sviluppato un importantissimo campo di ricerca: la spettroscopia di cui abbiamo appena parlato.
Nella seconda metà del secolo scorso essa è diventata il mezzo più efficace per lo studio della struttura degli atomi e delle molecole.
Dopo la scoperta di Newton, gli sforzi degli studiosi in proposito furono diretti innanzitutto al perfezionamento del metodo di osservazione; era necessario infatti un apparecchio che fosse capace di rivelare la struttura degli spettri molto più in dettaglio. Questo apparecchio è composto attualmente dall'elemento dispersivo, dal collimatore e dal cannocchiale, e i tipi più comuni sono quello di Browning e quello a deviazione costante.
Spettroscopio di risonanza magnetica nucleare

Spettrografo 1) schema 2) con telescopio Coudé

LA CELLULA FOTOELETTRICA

Molto semplicemente, per cellula fotoelettrica intendiamo un apparecchio che trasforma in energia elettrica l'energia della luce: questo avviene mediante un elettrodo fotosensibile, e cioè sensibile alla luminosità.
La cellula fotoelettrica è appunto un dispositivo fotosensibile; tali dispositivi vengono solitamente divisi in 3 gruppi in base al loro funzionamento: fotoemissivi, fotoconduttori, fotovoltaici.
Tra i primi si conta dunque anche la cellula fotoelettrica, che risulta, tra l'altro, anche il dispositivo più semplice. Usata ormai da diversi anni, è costituita da una ampolla di vetro sottovuoto in cui vi sono due elettrodi, il catodo e l'anodo. Il primo è rivestito, o addirittura formato, da un metallo, come ad esempio il cesio o il litio, che hanno entrambi la caratteristica di essere fotosensibili ed è, oltretutto, di dimensioni maggiori rispetto all'anodo, che può essere semplicemente un filo teso.
Quando la cellula non è illuminata, il diverso potenziale esistente tra i due elettrodi non permette alcun flusso di corrente; al contrario, quando la cellula è illuminata, gli elettroni prodotti dal catodo danno origine, spostandosi all'interno della ampolla sottovuoto, ad una conduzione di corrente elettrica; se il fascio di luce viene interrotto si altera la conduzione di corrente.
Una variante della cellula fotoelettrica descritta è quella della cellula fotoelettrica a gas.
La struttura è pressoché simile, ma nell'ampolla è immesso un gas inerte a bassa pressione. Quest'ultima è molto più sensibile, poiché la tensione anodica più elevata porta gli elettroni ad avere un'energia tale da poter ionizzare il gas; risulta da ciò un maggior numero di portatori di carica, e si ha dunque corrente. Il lato negativo della cellula fotoelettrica a gas è la lentezza delle reazioni.

LA VIDEOCOMUNICAZIONE

Nel settembre del 1979 il Consiglio dei Ministri francese ha preso la decisione di creare la prima ville cablée ovvero la prima "città via cavo". Ma di cosa si tratta più precisamente? L'esperimento Biarritz (così si chiama la cittadina prescelta per la prova) è in sostanza l'applicazione pratica del più futuristico progetto sulla comunicazione del Duemila. Nelle vie di Biarritz sono scomparsi i vecchi fili delle linee telefoniche e sono stati sostituiti con cavi di fibre ottiche: un mezzo di comunicazione dieci volte più capace dei tradizionali fili coassiali. Gli abitanti di questa cittadina possono così utilizzare una nuova rete di trasmissione basata su un fascio di luce che attraversa un filo trasparente, molto simile a quelli di nylon usati per pescare. Dopo aver steso nel sottosuolo di Biarritz oltre 10 mila chilometri di fibre ottiche, in quasi tutte le case sono stati installati, in sostituzione dei vecchi telefoni, dei visiophone, una sorta di videotelefoni. Ma in realtà i visiophone hanno delle capacità molto superiori: oltre alle funzioni del telefono, offrono la possibilità di trasmettere documenti e fotografie via cavo e funzionano come dei veri e propri computer. I vantaggi e le possibilità d'impiego sono così innumerevoli: le scuole organizzano visite ai musei senza muoversi dalla classe, grazie alle telecamere estraibili dei visiophone; i medici visitano pazienti e si scambiano radiografie e documenti, grazie alle stampanti; gli alunni ammalati possono seguire la lezione collegandosi con la classe. Nel 1985 un gruppo di medici giunti a Biarritz per un congresso, ha potuto assistervi seduto sulle poltrone del Casino Bellevue. A Biarritz si possono fare anche tutte le operazioni finanziarie che si vogliono stando comodamente seduti a casa: il visiophone può offrire tutte le informazioni sugli investimenti e, con altrettanta facilità, può collegare il cliente con la propria banca.
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