L'Ottica

L'Ottica

L'ottica è la scienza che studia la natura della luce e le sue leggi di propagazione. La luce ( onda elettromagnetica ) ha natura dualistica: ondulatoria e corpuscolare; per spiegare tutti i fenomeni assegnati occorre tener presente entrambi gli aspetti. Nella teoria ondulatoria la luce è considerata come un onda che si propaga, mentre nella teoria corpuscolare la luce viene studiata come un insieme di corpuscoli ( fotoni ) che viaggiano alla velocità della luce.

L'ottica si suddivide in tre grandi filoni: l'ottica geometrica che riguarda i fenomeni macroscopici per i quali è lecito assumere che la luce si propaghi sotto forma di raggi rettilinei; l'ottica fisica, che studia i fenomeni in cui appare evidente la natura ondulatoria della luce; e l'ottica quantistica, che spiega i fenomeni di interazione tra la luce e la materia a livello atomico.

L'ottica geometrica si basa su due assunti fondamentali: che la luce si propaghi sotto forma di raggi rettilinei assimilabili a rette geometriche, e che i raggi luminosi siano indipendenti, vale a dire che non interagiscano in alcun modo quando vengono a intersecarsi. Assumendo questi due principi, si possono ricavare le leggi che regolano i fenomeni della riflessione e della rifrazione della luce. Di competenza dell'ottica geometrica sono, quindi, il comportamento della luce in presenza di lenti e specchi e il funzionamento di dispositivi ottici quali microscopi, telescopi, macchine fotografiche e occhiali. La riflessione è un fenomeno fisico che si verifica quando un'onda incidendo su una superficie di separazione tra due mezzi diversi,viene in parte o totalmente rimbalzata all'indietro.

Nella maggior parte dei casi un fascio di onde viene riflesso solo in parte; la parte rimanente viene trasmessa al di là della superficie, subendo il fenomeno della rifrazione. La rifrazione è un fenomeno fisico che si verifica quando un'onda si trova a superare la superficie di separazione tra due mezzi con proprietà diverse: l'onda non procede sul suo cammino in linea retta, ma viene deviata di un angolo che dipende dalla sua inclinazione iniziale rispetto alla superficie di incidenza e dalle proprietà dei mezzi in questione. La legge della rifrazione è i/r = n₂/n₁ dove n₁ e n₂ sono gli indici di rifrazione dei 2 mezzi attraverso cui si propagano i raggi luminosi.

L'ottica fisica è basata sul riconoscimento che i raggi luminosi non siano in realtà rette geometriche, ma onde. Le onde possono essere longitudinali o trasversali, e sono caratterizzate da: ampiezza, lunghezza d'onda, cresta e ventre. La grandezza che stabilisce il comportamento dell'onda è la lunghezza (λ)

Rispetto all'ottica fisica, quella geometrica rappresenta soltanto un'approssimazione, valida quando la lunghezza d'onda della luce risulta trascurabile rispetto alle dimensioni del sistema fisico in cui viene studiata. L'ottica fisica fornisce una più dettagliata spiegazione della riflessione e della rifrazione e spiega altri fenomeni, neppure contemplati dall'ottica geometrica, come l'interferenza, la diffrazione e la polarizzazione.

L'interferenza è un fenomeno fisico che consiste nella sovrapposizione di due onde che si propagano nella stessa zona dello spazio e che si combinano in un'onda di frequenza, ampiezza e fase opportune, il fenomeno interessa qualunque tipo di onda, sia essa meccanica o elettromagnetica. L'interferenza può essere costruttiva o distruttiva, nell'ipotesi che le due onde che vengono a sovrapporsi abbiano al stessa frequenza e la stessa ampiezza, le caratteristiche dell'onda risultante dipendono dal loro sfasamento: se nullo (se le due onde vibrano perfettamente in fase), si ha interferenza costruttiva: l'onda risultante ha frequenza uguale a quella delle due componenti e ampiezza pari al doppio dell'ampiezza di ciascuna. Se invece le due onde iniziali vibrano in opposizione di fase (se lo sfasamento è uguale a 180gradi), si ha interferenza distruttiva: creste(picchi alti dell'onda) e ventri( spazio compreso fra una cresta e l'altra ) delle due si sommano algebricamente a dare un'onda di ampiezza nulla.

La diffrazione è un fenomeno fisico tipicamente ondulatorio per il quale un'onda che attraversa una piccolissima fenditura o che supera lo spigolo vivo di un corpo, anziché procedere nella direzione iniziale, si sparpaglia seguendo percorsi diversi. Perché la diffrazione sia evidente è necessario che le dimensioni della fenditura siano paragonabili a quelle della lunghezza d'onda della radiazione incidente.

La polarizzazione è un fenomeno ottico che riguarda la direzione di vibrazione del vettore campo elettrico di un'onda luminosa rispetto alla direzione di propagazione, e che consiste nella predominanza di una particolare direzione di vibrazione tra tutte quelle possibili. Normalmente, la luce ordinaria risulta non polarizzata; può risultare, invece, parzialmente o totalmente polarizzata se il mezzo che essa attraversa è caratterizzato da proprietà ottiche opportune.

L'ottica quantistica si basa sul principio secondo cui la luce è costituita da corpuscoli privi di massa detti fotoni o quanti di luce.