La luce e sue caratteristiche - opendaydellaricerca.enea.it · Ogni onda e’ caratterizzata da una particolare frequenza e, quindi, da una particolare lunghezza d’onda. ... –

Laluceesuecaratteristiche

G.Apruzzese-A.Romano

1.  CosaèlaluceØ Modellocorpuscolareedondulatorio

2.CaratteristichedellaluceØ  riflessioneØ  rifrazioneØ  diffrazioneØ  interferenza

3.SpettroelettromagneticoØ  caratteristicheonda


Sommario

Checos’èlaluce?Apartiredal1600sonostatedateduerispostediverseaquestadomanda,dacuisisonosviluppatiduemodelli:•  ilmodellocorpuscolare,propostodaIsaacNewton•  ilmodelloondulatorio,sostenutodaChristiaanHuygens.

•  Imodellisonoentrambivalidi,nelsensochedescrivonocaratteristichediversedellaluce.

Ø  Laluceèun’ondaelettromagnetica:laperturbazioneècostituitadacampielettriciemagneticioscillantichesipropaganoanchenelvuoto.

Ø  Incertesituazionilalucesicomportacomeun’onda,inaltrecomeuncorpuscolo(fotone).

Iraggidiluce•  Diverse proprietà della luce (per esempio, la riflessione e la rifrazione)

possonoesseredescritte immaginandoche la lucesiacostituitadaraggi,similiaquelliemessidaunlaser.

•  Questosemplicemodellodellapropagazionedellaluceècoerentesiacon

ilmodellocorpuscolare(iraggisonoletraiettoriedeicorpuscoli)siaconilmodelloondulatorio(iraggisonoladirezioneincuisipropagal’onda).

•  Ilmodellodeiraggi,però,nonrendecontodimolteproprietàdella luce,comel’effettofotoelettricoeladiffrazione.

•  Per descrivere questi fenomeni bisogna rappresentare la luce come uninsiemedicorpuscolioppurecomeun’onda.

Unraggioluminosoèunfasciodilucemoltosottile,cherappresentiamoconunaretta.


Propagazionerettilineadellaluce•  Mettiamouncorpoopacodavantiaunasorgenteluminosaeosserviamo

l’ombrachesidisegnasulloschermo.

Questiesperimentisuggerisconoche:iraggiluminosisipropaganoinlinearetta.


Lariflessionedellaluce•  Inviamo un sottile fascio di luce su una lamina di metallo piana e ben

levigata.Dallasuperficieemergeunraggioriflesso,anch’essosottileebendefinito.

Primalegge:ilraggioincidente,ilraggioriflessoelaperpendicolareallasuperficieriflettentenelpuntodiincidenzaappartengonoallostessopiano.Secondalegge:l’angolodiincidenzaèugualeall’angolodiriflessione.G.Apruzzese-A.Romano

Larifrazionedellaluce

•  La rifrazione avviene ogni volta che unraggio attraversa la separazione tra duemezzi trasparenti nei quali la luce havelocitàdiverse.


Ilprisma•  La luce bianca che incide su un prisma triangolaremette in evidenza il

fenomenodelladispersionedellaluce.

Questoesperimentodicechelalucebiancaèlasovrapposizionedeidiversicoloridellospettro.

•  Ladispersionedellaluceèdovutaalfattochel’indicedirifrazionediunasostanzatrasparentedipendedalcolore.


Icolori•  Per capire l’origine dei colori bisogna usare il modello ondulatorio,

secondo ilquale la luceèun’ondaelettromagneticaprodottadacaricheelettrichecheoscillano.

Ogniondae’caratterizzatadaunaparticolarefrequenzae,quindi,daunaparticolarelunghezzad’onda.


Lospettroelettromagnetico•  QuellochecomunementechiamiamoLuceVisibileèlamanifestazionedi

ciòchegliscienziatichiamanoRadiazioneElettromagnetica.•  La luce visibile è infatti una piccola fettina di tutta la radiazione

elettromagnetica:quellacheinostriocchiriesconoapercepire.•  Le diverse lunghezze d’onda della radiazione elettromagnetica

corrispondonoallediverseregionidellospettro.


Ladiffrazione•  Nell’esperienza quotidiana osserviamo che la luce disegna ombre nette.

Tuttavia,incondizioniparticolarilalucediffrange,cioèaggiragliostacolieinvadelazonad’ombra.

•  Facciamopassareunfasciodiluceattraversounafenditura.

•  Ladiffrazioneèun fenomeno tipicodelle onde, chenon si spiega con il

modello corpuscolare della luce. Infatti, questo modello prevede che icorpuscolidilucesipropaghinosempreinlinearetta.

Ø  Sihadiffrazionequandolalucenonsipropagainlinearettaeinvadequellachedovrebbeessereunazonad’ombra.

Ø  Ladiffrazioneèmoltomarcataquandolafenditurahadimensionisimiliaquelledellalunghezzad’onda.


L’interferenza


Sihainterferenzaquandodueondesommanoiloroeffetti:inalcunipuntisirinforzano(interferenzacostruttiva),inaltrisiannullano(interferenza

distruttiva).

L’interferenza•  Nellefrangeluminosesihainterferenzacostruttiva:quandoarrivaun

massimodaunasorgente,arrivaunmassimoanchedall’altraeancheiminimiarrivanoinsieme.

•  Nellefrangescuresihainterferenzadistruttiva:quandoarrivaunmassimodaunasorgente,dall’altraarrivaunminimo,inmodochelaperturbazioneèsempreugualeazero.

•  Lafotosottomostralafigurad’interferenzadovutaalladoppiafenditura.


•  Sorgentidiluce•  Atomoetransizioniatomiche•  Spettrocontinuo•  Spettroarighe•  Spettroscopia•  Spettroscopianeitokamak(cenni)


SorgentidiluceSpettroscopia

Spettroscopianeiplasmi

Processidiemissionediluce•  Radiazionetermica

•  Accelerazionediunaparticelladotatadicarica•  Emissionespettraleatomica•  Chemiluminescenzaebioluminiscenza(molecoleinstatoeccitatoprodottedareazionichimiche)

•  Fotoluminescenza(fluorescenza– fosforescenza)•  Radioattivita’(decadimentogamma)•  Reazioninucleari(p+dà3He+γ)•  Annichilazionemateria–antimateria


RadiazionetermicaRadiazioneemessadallasuperficiediunoggettodovutaallatemperatura.Laradiazionetermicasigeneraperilmovimentodelleparticellecaricheall’internodellamateria.Peruncorpoideale(corponero)valelaleggediPlanck.Lalunghezzad’ondacorrispondenteallamassimaintensitàdiradiazioneèdatadallaleggediWienλmaxT=costante=2898µmK


L’atomo•  Atomodalgrecoatomos-indivisibile•  Strutturaincuie’organizzatalamateria•  Costituitidalnucleo,protoni(+)eneutroni,edaelettroni(-)

•  Glielettronisimuovonointornoalnucleoesitrovanoinregionispazialidetteorbitali

•  L’orbitaleèquindilaporzionedispaziotridimensionaledispostaintornoalnucleo,all’internodellaqualeabbiamoun’altaprobabilita(piudel90%)ditrovarel’elettrone

•  Ogniorbitaleècaratterizzatodaunadeterminatadimensione,formaeorientamentospaziale


Transizioniatomiche:emissione•  Unorbitaècaratterizzatadaun’energiaedunadistanzadalnucleo

•  Leorbitedeglielettronisonoquantizzateovveroraggiedenergiepossonoassumeresolodeivalorispecifici(varianodaelementoaelemento)

•  L’energiadiun’orbitaèanchel’energiadafornireperionizzarel’atomo:èperciodettaenergiadilegame

•  L’orbitapiuinternaèlapiulegata


Energiadeifotoni:ΔE=hυhcostantediPlanck6.626x10-34Js

Transizioniatomiche:assorbimento

Ilfotoneassorbitohaun’energiaparialladifferenzadelleenergiedeiduelivelli.Esempio

E(fotone)=E3-E2

Unelettronepuoeffettuareunatransizionedaun’orbitapiuinternaadunapiuesternaassorbendounfotone


Sorgentidiluce:inparticolare…•  Emissionediriga

Saltoquanticoelettroneall’internodiunatomo/ione.Ilsaltoquanticodell’elettroneavvieneperassorbimentodienergia(soprattuttodaurtitraparticelle)

Stato fondamentale

Stato eccitato

Stato di energia più bassa

Emissione di luce Collisione con

un elettrone


Sorgentidiluce:inparticolare…•  Fotoluminescenza(fluorescenzaefosforescenza)dovutaadeccitazionedegliatomiperassorbimentodiradiazione.

•  Laluceincidente,soprattuttoultravioletta,vieneriemessanelrangedelvisibile.Laparteeccedentedienergiavienerilasciatasottoformadicalore.


Sorgentidiluce•  Radiazionetermica

–  lampadeaincandescenza–  lucesolare–  fuoco

•  Radiazionespettralediriga–  laser–  LED(LigthEmittingDiode)–  lampadeascaricadigas–  fiammedeigas–  plasmi


Spettrocontinuo

•  Lalucedellalampadina,cosìcomelalucesolare,fornisceunospettrochecomprendetuttiicoloridell’irideechesichiama“spettrocontinuo”


SpettrocontinuonondipendedallaStrutturaatomicadelmateriale

Spettrodiemissione/assorbimentospettroarighedovutoallastrutturaatomicadelmateriale

•  Spettrodiassorbimento:siosservaquandovienepostouncorpo(adesempioungas)tralasorgentediluceeilrivelatore.

•  Lasorgentedevefornireunospettrocontinuo,perchédeveconteneretuttelefrequenzediuncertointervallo

•  Lamaggiorpartedellaradiazioneattraversailgas;tuttaviaalcunefrequenzeparticolarivengonoassorbiteenonpassano.Sitrattapropriodiquellestesselunghezzed’ondachelostessotipodigasemetterebbenelsuospettrodiemissione.

Spettridiemissioneedassorbimento


Spettroscopia•  Spettroscopia: studio delle interazioni tra materia e radiazione

elettromagnetica•  E’ nata dallo studio della dispersione della luce visibile attraverso un

prismainbaseallasualunghezzad'onda•  Successivamente, ilconcettosiènotevolmenteampliatofinoa includere

qualsiasiinterazioneconl'energiaradiativainfunzionedellasualunghezzad'onda(ofrequenza)

•  Idatispettroscopicivengonospessorappresentatisottoformadispettro–  diagramma della risposta di interesse in funzione della lunghezza

d'ondaodellafrequenzaØ  Spectrum(latino):fantasmaØ  Skopos(greco):osservatoreØ  Spettroscopista=osservatoredifantasmi


Spettroscopia:attivaepassivasuiTokamak

Spettroscopiapassiva:osservazioneradiazioneemessadalplasma

Spettroscopiaattiva:osservazioneradiazione“stimolata”delplasmadasorgentiesterne(laser,

fasciodiparticelle)

plasmaluce

rivelatore

plasma luce rivelatore

SorgenteesternaG.Apruzzese-A.Romano

SpettroscopiapassivasuiTokamak

Radiazionediriga:radiazioneemessadaunatomo/ionequandounelettronecompieunatransizionedaunlivelloenergeticodiscretosuperioreadunlivelloenergeticoinferiore.Lecollisionitraparticellesonoresponsabilidelsaltoenergeticodeglielettroni(eccitazionecollisionale).Informazionichesipossonoestrarredall’analisidellospettro:•  Impurezzepresentinelplasma,inquinamentodelplasma(DeuterioeIdrogeno)•  flussoeconcentrazionediimpurezze•  temperaturaedensita’elettronicadelplasma


Misure spettroscopiche: misura della radiazione emessa dagli atomi / ioni presenti nel plasma : working gas ( H o D ) e impurezze (e.g.: boro, litio, ossigeno, carbonio, metalli) Scopo:

ü indicazioni sul tipo e la concentrazione delle impurezze presenti nel plasma

ü indicazioni sulle condizioni del plasma e sulle possibilità operative della macchina

DiagnosticadispettroscopiavisibileeVUVsuFTU

Schema spettrometro nel range del visibile

sorgente

reticolo

rivelatore

specchi

Plasma dominato dal Litio (Li)

Esempiodiradiazionemisuratadallospettrometronelvisibile

Stato fondamentale

Stato eccitato

Stato di energia più bassa

Emissione di luce Collisione

con un elettrone

Schemadiemissionedellaradiazionediriga


EsempiodiradiazionemisuratadallospettrometronelVUVsuFTU

Radiazioneemessadaiplasmi

CONTINUA:Bremsstrahlung(frenamento)Radiazioneemessadaparticellecaricheperaccelerazione/decelerazione.Tipicamentee’unaradiazioneemessadaelettroniacceleratidaioni.PiuingeneralelaBremsstrahlungincludelaradiazionediciclotrone:radiazioneemessadaparticellecaricheinmovimentoinuncampomagnetico.RADIAZIONEDIRIGA:radiazioneemessadaunatomo/ionequandounelettronecompieunatransizionedaunlivelloenergeticodiscretoadunlivelloenergeticoinferiore.Collisionitraparticelleresponsabilidelsaltoenergeticodeglielettroni.

Radiazioneemessadaparticelleinmovimentoinpresenzadiuncampoelettricoemagnetico.Effettiosservati:•  Dopplerdovutoamovimentodelleparticelle(sorgentidiluce)

•  Starkdovutoalcampoelettrico•  Zeemandovutoalcampomagnetico

CaratteristicheRadiazioneemessadaiplasmineiTokamak

Effetti causa Effettisullerighespettrali

Doppler Sorgente(particelle)inmovimento

Spostamentospettraleeallargamentorighe

Stark Campoelettrico Splittingeallargamentorighe

Zeeman Campomagnetico SplittingeallargamentorigheG.Apruzzese-A.Romano

•  Sistemiottici(raccoltadellaluce)•  Fibraottica(trasmissioneluce)•  Spettrometro(scomposizionedellaluce)


MisuradiunospettrodilucevisibileStrumentielorofunzionamento

Raccoltadellaluce

•  Le lenticonvergenti (piùspessealcentrocheaibordi) fannoconvergere in un punto F (fuoco) un fascio di raggi paralleliall’asseottico

•  Unraggiodilucechecolpisceunalentesubisceduerifrazioni:

•  laprimapassandodall’ariaalvetro

•  lasecondaritornandodalvetroall’aria

•  Lentisottili:hannounospessorepiccolorispettoairaggidellesuperficisferichecheledelimitano


Trasmissionedellaluce

Lalucepuo’esseretrasmessaattraversounafibraotticaØ  Lefibreottiche,chesonofilisottilididiametroancheminoredi1mm,

funzionanodaguidediluceØ  IllorofunzionamentosibasasulfenomenodellariflessionetotaleØ  Lalucechevipenetrasirifletteall’internodellafibramoltissimevolte,finoa

uscireall’altraestremità


Fenomenodellariflessionetotale:Ø unraggiodilucepassadaunmezzoconindicedirifrazionemaggioreaunoconindicedirifrazioneminore

Spettrometro

•  Spettrometro:consentedimisurare lospettro,cioe’dimisurare le

proprieta’dellaluceinfunzionedellasualunghezzad’onda•  Specchioottico•  Elementodisperdente•  Rivelatore

–  Lospettroèladistribuzionedienergiairraggiataallevarielunghezzed’onda

–  L’analisispettralefornisceinformazionisullacomposizionechimica

•  Sono normalmente suddivisi a seconda del loro potere dirisoluzione e della sezione delle spettro luminoso che possonomisurare(visibile,UV,raggi-X,microonde,ecc.).


Funzionamentospettrometro

•  Sonobasatisulfarincidereilfasciopolicromaticosuunoggetto(unreticolo)ingradodi deviare le diverse radiazioni condiversi angoli: la radiazioneuscentesaraquellachepassaattraversolafendituradiuscita

•  I reticoli svolgono la stessa funzione del prisma, ma il loro funzionamento è

basatosulladiffrazioneeinterferenza.•  Unreticolodidiffrazioneconsisteinunalastrasucuisonopraticatenumerose

incisioniparalleleequispaziate,moltovicinefraloroedinvisibiliadocchionudo,finoa40000percentimetro(cioe’4000inunsolommdilarghezza).

•  Leincisionisicomportanocomesorgenticoerenti


Spettrometro

RivelatoreCCD

Specchiocollimatore

Specchiofocalizzatore

Reticolodidiffrazione

elementodisperdentecheseparalevariecomponentidellaradiazioneenepermettelasuccessivaselezionedellabandadesiderata

Reticolodidiffrazione•  Consideriamounoschermomoltolontanodalreticolo,inmodocheiraggiche

interferisconoinunpuntodelloschermosianopraticamenteparallelifraloro•  Perraggiungereilpuntoincuisiformalafrangiaprincipale(primoordine),laluce

dallafenditura2percorreunadistanzadiunalunghezzad’ondamaggiorediquellapercorsadallaluceprovenientedallafessura1.

•  Ladifferenzadicamminotrairaggiprovenientidaduefenditurevicineèpariaunalunghezzad’onda

λ=dsenθ

•  dèladistanzatralefenditure


•  Ilpotererisolventediundispositivootticoèlacapacitadiprodurreimmaginiseparatedioggettivicinitraloro.

•  Perstabilireseduerighepossonoessereconsiderateseparate,equindiseleduerigheappaionodistinte,siapplicailcriteriodiRayleigh,dovutoalfisicoingleseJohnWilliamRayleigh(1842-1919),notocomeLordRayleigh.–  Ilmassimoprincipalediunarigadevecoincidereconilprimominimo

dell’altrariga.

Ilpotererisolvente


RivelatoreCCDDispositiviadaccoppiamentodicarica(dall’ingleseChargeCoupledDevice)


•  Matricedielementifotosensibilichesottoirraggiamentoproduconocaricheelettriche(elettronigeneratipereffettofotoelettrico)

•  Lecaricheelettrichegenerateinunintervalloditempo,chiamatotempodiesposizione,vengonodapprimaraccolteepoitrasformateinsegnaleelettrico.

•  Ilsegnaleelettricovienetrasformatoinconteggi(segnaledigitale).

•  Ilsensoreècompostodamilionidipixel•  Piùgrandeè ilpixelpiùgrandeè laquantita’di lucechecattura,quindi conun

rumoreminore

Set-updimisurasperimentale

Sorgentediluce

Lente/Sistemaottico

Fibraottica

Spettrometro

PC

Cavo

Alimentatoresorgente

•  Lampadaadincandescenza•  LED(lucetorciacellulare)•  Laserpuntatore•  Sistemaotticoconfiltrointerferenziale•  Alimentatoretubispettrali•  Tubispettrali(Idrogeno,Ossigeno,Azoto,Neon,Argon,Aria)•  Fibraottica•  SpettrometroHR2000•  PC(coninstallatoilprogrammasoftwareSpectraSuite)

MaterialeaDisposizioneinLaboratorio


Esperienzedilaboratorio•  Misuradellospettrodidiversesorgentidiluce

–  lucesolareoluceambiente–  lampadaincandescente–  LED(es.torciacellulare)–  laserpuntatore

•  Individuazioneintervallodiemissioneecaratteristichediognispettroacquisito

•  AnalisidellospettrosorgenteLEDeindividuazionedellalunghezzad’ondacorrispondentealmassimodell’intensitàdellospettro.

•  Misuradellospettrodiunalampadaincadenscentecon/senzafiltrointerferenziale(sistemaottico)

•  Confrontarecaratteristichespettroacquisitosenza/confiltro

Esperienzedilaboratorio

•  Misuradellospettrodiunasorgente(lampadaspettraleH):–  aumentare la distanza fibra ottica-sorgente per osservare minimo

segnalerivelabile–  diminuire la distanza fibraottica/lenteperosservare saturazionedel

segnale

•  Misura dello spettro in emissione di un tubo spettrale (Ne,Ar,N,O,H,aria)

•  Identificazione per ogni spettro della posizione delle righecaratteristichedell’elemento

•  Analisisovrapposizionerighespettrali(soloperspettroN)

Ø NOTA: prima acquisire uno spettro scuro con sorgente spenta, dasottrarrepoiallospettroacquisitoconsorgenteaccesa


SpettrometroHR2000+OceanOptics

Sensorelineare•  Numerodipixels:2048pixels•  Dimensionepixel:14μm×200μmReticolo•  300g/mm•  Intervallolunghezzed’onda:190–1100nm•  Tempodiintegrazione:1ms–65secondi


Alimentatore

•  L'alimentatoreconsenteun'illuminazionecontinuaecostante

•  Unsupportoconcontattoamollapermetteilposizionamentoeilcollegamentosicurideitubispettrali


Tubispettralidisponibili•  Idrogeno-H•  Argon-Ar•  Elio–He•  Azoto–N•  Ossigeno–O•  Aria

§  Tubispettraliaelevataluminanzaperl’emissione dello spettro lineare o abandediungas

§  Tubi spettraliparzialmentesvuotatieriempiticongasinformacapillareconelettrodi metallici a cui si applica ilcampoelettrico


Appendice


Lampadaascarica

•  Lalampadaascaricaèuntipodilampadinabasatasull’emissioneluminosaperluminescenzadapartediungasionizzato

•  Laionizzazionedelgasèottenutapermezzodiunadifferenzadipotenziale,chefamigrareglielettroniliberieionipositiviaidiversicapidellalampada(dovesonopresentiglielettrodi)

•  Laluminescenzaèunprocessodiemissionediradiazioneaseguitodiassorbimentodienergia


Filtrointerferenziale

•  Filtro,usatoinottica,perselezionarelucequasimonocromatica

•  Filtrimoltoselettiviinfrequenzaolunghezzad’onda

Lucebianca

FILTRO


Spettrosolare

•  Sitrattadiunospettrocontinuo,emessadallafotosfera(stratosottiledacuihaoriginelaradiazione).

•  Laradiazioneprovenientedallafotosferaattraversalasovrastantecromosfera(sottilestratodell’atmosferadelsole,2000Km)

•  Nell’attraversamentodell’atmosferaterrestreunafrazionedeiraggisolarivieneassorbita,dandooriginenellospettroanumeroserighediassorbimento.


LampadaafluorescenzaLampadafluorescenteèunalampadaascaricaincuil’emissioneluminosaèindiretta,perche’l’emittentenonèilgasionizzatomaunmaterialefluorescente.Lelampadefluorescenticontengonomercurioedungasnobiletipoargonadunapressionedi2-3mmdiHg.All’estremitadeltubodueelettrodi,cheattraversatidaenergiaelettrica,emettonoelettroni(effettotermoionico)Glielettronicosiliberaticollidonocongliatomidellargoneloeccitanoeionizzano.Ilmercurioeccitatodallargonemettenell’ultravioletto253.7nmGliultraviolettiemessidagliatomidiHg(HgI)vengonoconvertitiinlucevisibileperfluorescenzadalleparetidelcontenitorechesonorivestitedapolverifluorescenti.Lalucevisibile,avendoun’energiainferioreaquellaultravioletta,trasportasolounapartedell’energiacedutadallaradiazioneultravioletta,larestantesitrasformaincalore,riscaldandoiltubo.


LampadaspettraleGlispettriatomicisonoprodotticreandounarcotraglielettrodi.Lelampadespettralisonostabiliconrighemoltointenseepurezzaspettrale.Itubispettralisonocostituitidacapillari,contensionedialimentazionedi3-5KVoltsInostrihannounalimentatoreda5000Voltse10mA.Potenzada50Watt.Bassapressioneall’internodeitubi


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