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Cap. VI Proprietà ottiche dei materiali e
sorgenti luminose
1. La dispersione 2. Assorbimento e emissione
3. Diffusione (scattering) 4. Sorgenti
luminose 5. Radiometria e fotometria
2
1. La dispersione
3
la dispersione
la dispersione in altri materiali ottici
visibile
lunghezza donda (?m)
4
Effetti della dispersione
la formazione dellarcobaleno
Luce solare
gocce dacqua
40
Violetto
42
Rosso
5
2. Lassorbimento e lemissione (fluorescenza)
I lt I0
I0
sostanza
z
6
Lassorbimento
per misure su spessori finiti
I0
I lt I0
sostanza
l
si misura in densità ottiche (OD) 0.3 OD ?
I(z) I0/2 1 OD ? I(z) I0/10 2 OD ?
I(z) I0/100
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soglia di assorbimento
Lassorbimento e lemissione
in funzione della lunghezza donda
I0
I lt I0
gas
rivelatore
misura delle spettro di assorbimento
8
Lassorbimento e lemissione
microscopicamente
A) nei gas atomici (He, Ne, O, )
transizioni atomiche
Ei
Ei
emissione di un fotone con la stessa frequenza ?
(fluorescenza)
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Lassorbimento e lemissione
quindi nei gas atomici
si noti però che lemissione spontanea avviene in
tutte le direzioni
diminuendo lintensità del fascio incidente
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spettri di assorbimento
nei gas atomici
assorbimenti e emissioni alle frequenze
spettri di assorbimento a righe da transizioni
atomiche (in genere nellUV)
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spettri di assorbimento
B) gas molecolari (H2, O2, CO2, ) liquidi
e soluzioni liquide di composti
transizioni molecolari con livelli energetici
rotovibrazionali
(1 mm 104 cm-1 )
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spettri di assorbimento gas molecolari, liquidi
metano
1.2
1
Absorbance
.8
.6
.4
.2
0
Wavenumber (cm-1)
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
(mm)
3
4
5
10
anidride carbonica CO2
(mm)
3
4
5
10
13
Visibile
Infrarosso
14
spettri di assorbimento gas molecolari, liquidi
15
spettri di assorbimento gas molecolari, liquidi
più in generale nellinfrarosso
16
spettri di assorbimento gas molecolari, liquidi
e nellultravioletto
17
spettri di assorbimento solidi cristallini
U
C) solidi cristallini
banda di conduzione
bande di energia
ET
banda di valenza
18
spettri di assorbimento solidi cristallini
solidi cristallini
bande di energia
19
spettri di assorbimento solidi cristallini
solidi cristallini
bande di energia
20
3. La diffusione (scattering)
21
(No Transcript)
22
La diffusione (scattering)
23
La diffusione (scattering)
in un mezzo trasparente una sospensione di
centri di diffusione che sono raggiunti da
unonda e.m.
d
E0(t)
se d ltlt ? ogni particella si comporta come un
dipolo oscillante nella direzione del campo
24
si ricordi il dipolo oscillante
il flusso denergia del singolo dipolo
x
S
?
p
z
il flusso di energia è radiale, ma
?
y
non è unonda sferica
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lo scattering
per d ltlt ?/2p si applica il modello di Rayleigh
per molti dipoli
scattering di Rayleigh (di luce non polarizzata)
E0
I(?)
E (t)
?
k
y
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scattering di Rayleigh
d ltlt ?/2p
inoltre si noti la polarizzazione della luce
diffusa
orizzontale
polarizzazione lineare
parzialmente polarizzata
E (t)
luce non polarizzata
k
z
y
verticale
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scattering di Rayleigh
d ltlt ?/2p
Integrando su tutti i ? troviamo la
sezione durto per scattering
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d ltlt ?/2p
lo scattering
lo scattering va con ?4, per questo il cielo è
blu e i tramonti sono rossi
29
Effetti dello scattering di Rayleigh
30
Effetti dello scattering di Rayleigh
nei liquidi si definisce scattering di Tyndall
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per d ? ? si applica la teoria di Mie (completa,
valida per ogni d)
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entrambi i processi sono spesso presenti
blu scuro
azzurro più chiaro
33
Locchio umano sensori e sensibilità
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4. Radiometria e fotometria
Misurano lintera potenza radiante e le grandezze
derivate
Misurano la parte della potenza
radiante percepita come luce
Potenza luminosa lumen (lm) cd sr
  Candela (S.I.) intensità luminosa in una data
direzione di una sorgente monocromatica con
frequenza 540?1012 Hz e con intensità radiante in
quella direzione di 1/683 W sr 1 (ovvero
emette un totale di 4?lumen)
35
.
36
7.1) Una diapositiva di formato 24 mm ? 36 mm
deve essere proiettata su uno schermo di 1.20 m
per 1.80 m posto ad una distanza di 5.00 m dal
proiettore. Determinare (a) che tipo di lente
(singola) occorre usare e con quale lunghezza
focale per coprire esattamente lo schermo con
limmagine (disegnare lo schema del sistema) (
b) quale sarà la distanza lente-diapositiva (c)
se il proiettore produce una potenza luminosa di
1000 lumen, che illuminamento si avrà sullo
schermo?
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Sorgenti luminose
1) Sorgenti specifiche e colorate (displays,
monitor, telecom., ecc)
2) Illuminazione generale a luce bianca (e
risparmio energetico)
Negli USA per illuminazione si utilizza il 22
dellelettricità prodotta, ovvero l8.3 di
tutta lenergia utilizzata
il 40 di tale potenza elettrica è utilizzata in
lampade ad incandescenza con efficienze luminose
minori del 5
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Efficienza luminosa di vari tipi di sorgenti
Category  Type  Overallluminous efficacy (lm/W) Overallluminous efficiency2
Combustion candle 0.3 0.04
Incandescent 100 W tungsten incandescent (220 V) 18 2.6
quartz halogen (1224 V) 24 3.5
Fluorescent T8 tube with electronic ballast 80100 1215
T5 tube 70100 1015
Light-Emitting Diode white LED 10 to 90 1.513
white OLED 102 15
Prototype LEDs up to 150 up to 22
Gas discharge High-pressure sodim lamp 150 22
low-pressure sodim lamp 183 up to 200 2729
Theoretical maximum 683.002 100
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Sorgenti luminose
A) sorgenti termiche
Lampade a incandescenza (normali, alogene)
spettro di corpo nero a ? 2800 - 3000 K
0.3 ?m lt ?emiss lt 2 ?m
bassa efficienza energetica (lt 5 ? 18
lm/W) fragilità durata limitata
40
Sorgenti luminose
B) a scarica di gas
Lampade al Neon, Xenon (laboratorio), vapori di
Mercurio (germicida), di Sodio (illuminaz.
stradale), ecc.
spettro a righe di emissione caratteristico
del gas
alta efficienza energetica (30 ? 200 lumen/W per
il Sodio) ma.
luce quasi monocromatica poco naturale e poco
gradevole
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Sorgenti luminose
C) a emissione fluorescente da scarica
lampade a basso consumo (tubi a vapori di sodio,
mercurio,, ecc.
spettro a larghe bande di emissione
alta efficienza (15 ? 90 lm/W) e luce bianca
naturale e gradevole
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Sorgenti luminose
D) elettroottiche
Diodi LED (Light emitting Diode) e Organic Led
(OLED)
spettro a larghe bande di emissione
i
i
giunzione di semiconduttori (Ge, Si, GaAs, InP,
ecc.)

• - alta efficienza (20 ? 200 lumen/W ) e luce di
  diversi colori
• alta durata, robustezza,
• miniaturizzazione

43
(No Transcript)
44
(No Transcript)
45
Sorgenti luminose
E) LASER
Light Amplification by Stimulated Emission of
Radiation
specchio R 95
specchio R 100
mezzo fluorescente
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Locchio umano percezione del colore
alcune definizioni
?? 250
- tinta (hue)
blu
verde
arancio
ecc.
rosso
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Locchio umano percezione del colore
colori spettrali
632 nm
514 nm
ecc.
48
Locchio umano percezione del colore
Uno standard (campione) per la percezione umana
del colore
49
Locchio umano percezione del colore
anno 1931 (revis. 1960, 1976)
Uno standard (campione) per la percezione umana
del colore
zona del Bianco
50
proprietà del diagramma CIE 1931
Spazio del colore
diagramma CIE 1931
coord. cromatiche x, y, Y(luminosità)
X, Y, Z
51
proprietà del diagramma CIE 1931
mescolanza dei colori
i colori ottenuti da sintesi additiva a pesi
variabili sono sulla congiungente
52
Locchio umano percezione del colore
definendo come primari RGB
Red (700 nm) Green (546 nm) Blue (435. 8 nm)
come nei monitor PC, TV, ecc.
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Esercizi di ricapitolazione
R1) A una distanza incognita d da una sorgente
di onde radio che opera alla frequenza di 109 Hz
ed emette uniformemente in tutte le direzioni
(isotropicamente) con una potenza complessiva P
100 kW, si misura unampiezza per il campo
magnetico dell'onda B0 10-8 T. Determinare (a)
lampiezza del campo elettrico alla stessa
distanza (b) lintensità della radiazione alla
stessa distanza (c) la distanza a cui ci si
trova dalla sorgente (d) il modulo del vettore
donda k della radiazione (e) lintensità della
radiazione alla distanza D 10 km dalla
sorgente.
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R2) Un sottile fascio di luce di potenza I0 10
mW incide normalmente sulla superficie piana di
una lastra di vetro con indice di rifrazione n
1.57, coefficiente di assorbimento ? 1 cm-1 e
di spessore t 20 mm. Calcolare (a) la potenza
I del fascio alluscita della lastra (b)
lassorbanza complessiva della lastra.
55
R3) Sia data una lente sottile biconcava di vetro
flint (indice di rifrazione n1 1.66) in aria
con i raggi di curvatura delle superfici pari a
R1 7 cm e R2 10 cm. Si traccino i raggi e si
calcoli caratteristiche, posizione e
ingrandimento dellimmagine della freccia oggetto
posta a una distanza d 12 cm dalla lente.
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R4) La lente sottile pianoconvessa di figura è
fatta con vetro con n 1.57. Calcolare il raggio
di curvatura R della superficie convessa
affinché si produca unimmagine reale a
ingrandimento unitario, come in figura di un
oggetto, posto ad una distanza dalla lente di 20
cm.
57
R5) Si vuole costruire un telescopio riflettore
Newtoniano in modo che lo specchio concavo
(lobiettivo) produca unimmagine reale della
Luna di diametro d 10 cm. Calcolare a) quale
raggio di curvatura R deve avere lo specchio b)
quale diametro minimo di apertura lineare 2h deve
avere lo specchio per risolvere oggetti sulla
Luna lunghi 200 m visti in luce con ? 500 nm
(diametro della Luna D 3500 km, distanza
Terra-Luna L 360000 km)
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R6) Una lente convergente di lunghezza focale f1
20 cm è posta a una distanza d 60 cm da una
lente divergente con f2 30 cm. Un oggetto è
situato a 60 cm dalla prima lente. Tracciare il
diagramma dei raggi per determinare graficamente
la posizione e la natura dellimmagine finale.
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R7) Due onde piane monocromatiche con lunghezza
donda ?1 e ?2 incidono normalmente su una
fenditura larga D generando le rispettive figure
di diffrazione sullo schermo posto a distanza L.
Se è ?1 400 nm, calcolare il valore ?2 nel
visibile affinché la figura di diffrazione della
seconda onda abbia un minimo di intensità
coincidente con il terzo minimo di intensità
della figura a ?1
60
R9) Si scriva lespressione delle componenti del
campo elettrico di unonda monocromatica di
lunghezza donda ? e polarizzata ellitticamente
che si propaga lungo la direzione y in un mezzo
con indice di rifrazione n.
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A) Scrivere la forma Newtoniana dellequazione
delle lenti specificando il significato dei
termini
B) Cosa implica lapprossimazione parassiale?
C) Cosa è il lux e come è definito?
D) Come è definito il parametro f-number di un
sistema ottico?