Ottica

L'ottica è una materia di studio dell'elettromagnetismo il cui obiettivo è quello di studiare come la luce interagisce con il mondo che la circonda. Nonostante l'essere fondata su concetti dell'elettromagnetismo, viene spesso studiata come un capitolo separato della fisica perché presenta delle metodologie e dei fenomeni unici anche nella fisica. L'ottica è spesso insegnata tramite esperimenti, esperienze di laboratorio e applicazioni pratiche, per solidificare i concetti teorici.

È importante capire che in ottica esistono tre principali materie di studio: l'ottica geometrica, l'ottica fisica e l'ottica quantistica. Noi tratteremo solo le prime due e vedremo come le due teorie, che trattano la luce a partire da ipotesi completamente diverse, siano in realtà una l'estensione dell'altra e come spesso riescono a descrivere gli stessi fenomeni attraverso due approcci diversi (con diversi asterischi, che vedremo).

Luce

La luce è l'oggetto di studio per l'ottica, in tutte le sue branche. In particolare vedremo come, in base alla lente sotto cui si guarda questo fenomeno (ovvero se andiamo a studiarlo con i mezzi e le premesse dell'ottica geometrica, oppure quelli dell'ottica fisica), la luce può essere interpretata in maniere diverse.

Il primo passo nel nostro studio sarà quindi quello di capire quali sono le premesse per lo studio di ciascuna di queste discipline per poi andare a vedere le interazioni della luce con il mondo circostante con le limitazioni e i vincoli imposti dalle nostre ipotesi.

Ottica geometrica

L'ottica geometrica è quella branca dell'ottica che studia la luce come se fosse costituita da raggi rettilinei che vengono riflessi e rifratti a contatto con superfici riflettenti o di materiali diversi. E sono proprio questi i fenomeni che possono essere descritti tramite l'ottica geometrica:

• Legge di propagazione rettilinea: questa legge dal nome molto descrittivo afferma che la luce, nel vuoto, si propaga come raggi rettilinei e lungo percorsi diritti.

• Leggi della riflessione:quando la luce colpisce una superficie riflettente (ma non solo, come vedremo), questa verrà riflessa seguendo delle regole specifiche che dicono che il raggio riflesso

  • si trova nello stesso piano definito dal raggio incidente e dalla normale al piano della superficie

  • forma con la normale al piano della superficie un angolo uguale all'angolo di incidenza, ma nella direzione opposta ( \( \theta_i = \theta_r \)).

• Leggi della rifrazione: quando la luce passa da un mezzo all'altro (ad esempio dall'aria viene osservata attraverso un vetro), questa subisce una deviazione dovuta al diverso indice di rifrazione dei due mezzi seguendo due semplici regole:

  • il raggio deviato si trova sul piano definito dal raggio incidente e dalla normale al piano della superficie

  • gli angoli di incidenza e rifrazione nel passare da un mezzo con indice di rifrazione \( n_1 \) e uno con indice di rifrazione \( n_2 \) possono essere descritti con la legge di Snell: \( n_1 sin \theta_1 = n_2 sin \theta_2\).

Come dicevamo nell'introduzione, però, ci sono alcuni asterischi all'ottica geometrica.

Il primo è che, ovviamente, non può descrivere tutti i fenomeni elettromagnetici legati alla luce, ad esempio non può spiegare completamente i fenomeni di diffrazione, perché alcuni di questi richiedono lo studio della luce come un fenomeno ondulatorio.

Un'altra importante limitazione è dovuta al fatto che per come è definita e descritta l'ottica geometrica, questa permette di spiegare solo fenomeni in cui l'interazione avviene tra la luce e oggetti più grandi della sua lunghezza d'onda.

Lenti e specchi

Lenti e specchi sono un importantissimo campo di studio per l'ottica geometrica, perché permettono di esplorare molti dei fenomeni di riflessione (per gli specchi) e rifrazione (per le lenti).

Vedremo insieme come si disegna, descrive tramite diagrammi e matematicamente uno specchio e una lente in maniera molto semplice e come questi semplici diagrammi ci permettano di capire cosa succede ad un'immagine che viene riflessa o osservata attraverso una lente. Infine, nella sezione di astronomia, vedremo come questi concetti possono essere usati per costruire telescopi che ci permettono di osservare oggetti astronomici distanti e impercettibili all'occhio.

Fig. 1 - Esempio dei primi studi della messa a fuoco di una lente.

Ottica fisica

L'ottica fisica è quella parte dell'ottica che è interessata ai fenomeni di interazione luce-materia che l'ottica geometrica non può spiegare con le sue ipotesi. In particolare, vedremo come la descrizione della luce come onda elettromagnetica può aiutare a descrivere più a fondo i processi di rifrazione (in particolare in quei casi in cui la rifrazione avviene su lamine sottili di un materiale, introducendo fenomeni di interferenza), ma soprattutto aiuti a spiegare i fenomeni di polarizzazione della luce, della sua diffrazione e dell'interferenza.

Polarizzazione

La polarizzazione è un'importante caratteristica delle onde elettromagnetiche che deriva direttamente dalla trattazione ondulatoria della luce. Vedremo come questa proprietà descriva l'oscillazione del campo. Per esempio si parlerà di polarizzazione verticale se il campo elettrico oscilla solo verticalmente, oppure di polarizzazione orizzontale se questo oscilla solo orizzontalmente, ma vedremo anche che esistono casi in cui la direzione di propagazione descrive una traiettoria circolare, o addirittura ellittica!

Vedremo anche alcune applicazioni quotidiane di questa proprietà, tra cui particolari occhiali da sole, le polaroid e il cinema 3D!

Rifrazione, diffrazione e interferenza

La trattazione della luce come fenomeno ondulatorio, ci permette di ampliare il concetto di rifrazione e di introdurre i fenomeni di diffrazione e interferenza!

La diffrazione ci permette di spiegare e studiare lo spettro elettromagnetico, ma anche di spiegare fenomeni più quotidiani, come il fatto che osservando da vicino e radentemente uno schermo si possono vedere tanti piccoli arcobaleni, oppure l'effetto di aberrazione cromatica che si può esservare nelle foto intorno ad alcuni oggetti colpiti dalla luce.

Lo studio dell'interferenza, invece, permette è importante per comprendere fenomeni meno comuni, ma che possiamo comunque osservare nel quotidiano, come le strisce colorate che appaiono sulle macchie di olio sottili sull'asfalto, oppure l'iridescenza degli esoscheletri di alcuni insetti.

Fig. 2 - Esempio di fenomeni di interferenza