STEP #03 - OTTICA FISICA
La lente di Fresnel rappresenta una grande scoperta dell'ottica fisica.
L’ottica fisica, a differenza di quella geometrica che studia fenomeni ottici per cui la luce si propaga mediante raggi rettilinei, si occupa di interferenza, diffrazione, polarizzazione della luce, ovvero fenomeni per i quali è necessario ricorrere a uno studio ondulatorio della luce come radiazione elettromagnetica.
In generale l’ottica è la parte della fisica che si occupa dei fenomeni relativi alla propagazione della luce nel vuoto e nei mezzi materiali, degli effetti della sua interazione con i corpi e dello studio delle relative proprietà.
Nello specifico, l’ottica fisica tiene in considerazione il fatto che la luce è caratterizzata da una lunghezza d’onda o da un campo di lunghezze d’onda. Lo studio di questi fenomeni è riconducibile alla risoluzione dell’equazione delle onde con le condizioni al contorno imposte dal problema allo studio. Si tratta della risoluzione di equazioni differenziali applicando il principio di Huygens-Fresnel, valido per una propagazione qualunque per onde. Il principio fu formula in origine da Huygens e successivamente integrato nel 1820 da Fresnel a cui si deve la versione finale che costituisce un caso particolare di un risultato più generale ottenuto da Kirchhoff nel 1882, ovvero: “se S è una sorgente puntiforme, Σ una qualunque superficie chiusa che la contiene, P un punto qualunque dello spazio, la grandezza fisica che rappresenta la perturbazione luminosa in P (per es., il vettore di intensità del campo elettrico) si può esprimere come sovrapposizione dei contributi generati in P dai vari punti di Σ, agenti come sorgenti secondarie eccitate dalla sorgente primaria S”.
Le prime teorie sul funzionamento dell'occhio, sulla luce e sulle immagini risalgono all'Antica Grecia e, in particolare, a Pitagora che nel VI secolo a.C. sosteneva che l'occhio inviasse raggi visuali a esplorare l'ambiente esterno. Diversamente da lui la pensavano gli atomisti e Democrito in particolare: la loro teoria consisteva in simulacri emessi dagli oggetti e ricevuti dall'occhio.
Successivamente, intorno al 300 a. C. Euclide, sostenitore delle teorie di Pitagora, riorganizzò le teorie dell'ottica in un trattato nel quale approfondì anche le leggi della riflessione, dando così vita alla branca più antica dell'ottica: l'ottica geometrica. Nei secoli a venire essa venne ampiamente approfondita e studiata grazie al contributo di noti fisici come Claudio Tolomeo e Ibn Sahle di Alhazen nel II secolo, Vitellione nel XIII secolo, l'abate Maurolico nel XVII secolo e soprattutto Keplero che nel 1604 riprese il lavoro di Maurolico definendo l'ottica geometrica moderna e nel 1610 terminò i suoi studi sulle lenti.
Solo nel 1665 venne osservato il fenomeno della diffrazione: si accese così un dibattito che durò secoli sulla natura corpuscolare o ondulatoria della luce, la prima sostenuta da Newton nella sua opera Opticks (1704), la seconda sostenuta da Huygens nel Traité de la lumiere (1690). Quest'ultimo sosteneva che la luce consistesse nel movimento ondulatorio dell'etere.
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| A sinistra Opticks, opera di Newton, a destra Traité de la lumière, scritto da Huygens |
Nel 1801 gli esperimenti di Thomas Young affiancati agli studi successivi di Augustin-Jean Fresnel e alla misurazione della velocità della luca di Foucault apportarono abbondanti prove sulla validità della teoria ondulatoria.
Successivamente, nel 1873 Maxwell dimostrò la natura elettromagnetica della luce, ma nel 1900 Planck diede una svolta nelle teorie dell'ottica, dimostrando che le radiazioni elettromagnetiche dovevano essere emesse sotto forma di quanti, ovvero quantità finite di energia. Da lì, Einstein dimostrò nel 1905 che la luce si comporta come minuscoli corpuscoli, chiamati fotoni.
Il problema della luce come particella o come onda si risolve con l'avvento della meccanica quantistica che spiegò come la luce si comporti sia da particella che da onda elettromagnetica secondo il principio di complementarità.
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