Storia di ottica fisica, termini frequenti, leggi, applicazioni

IL Ottica fisica È la parte dell'ottica che studia la natura ondulata della luce e dei fenomeni fisici che sono compresi solo dal modello ondulato. Studia anche i fenomeni di interferenza, polarizzazione, diffrazione e altri fenomeni che non possono essere spiegati dalla prospettiva geometrica.

Il modello ondulatori definisce la luce come un'onda elettromagnetica i cui campi elettrici e magnetici variano perpendicolarmente l'uno all'altro.

Wave elettromagnetica [di Lennart Kudling Raphaël Deknop (https: // Commons.Wikimedia.org/wiki/file: elettromagnetic_wave_color.PDF)]

Il campo elettrico (E) Light Wave si comporta in modo simile al loro campo magnetico (B), ma il campo elettrico sul magnetico predomina dalla relazione di Maxwell (1831-1879) che stabilisce quanto segue:

E= CB

Dove C = Velocità di propagazione delle onde.

L'ottica fisica non spiega lo spettro di assorbimento e emissione di atomi. D'altra parte, ottica quantistica se si affronta lo studio di questi fenomeni fisici.

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Storia

La storia dell'ottica fisica inizia con gli esperimenti condotti da Grimaldi (1613-1663), che osservò che l'ombra proiettata da un oggetto illuminato era più ampia ed era circondata da strisce colorate.

Il fenomeno osservato lo chiamava diffrazione. Il suo lavoro sperimentale lo portò a sollevare la natura ondulata della luce, in opposizione alla concezione di Isaac Newton che predominava nel 18 ° secolo.

Il paradigma newtoniano ha stabilito che la luce si comportava come un raggio di piccoli corpuscoli che si muoveva ad alta velocità in traiettorie rettilinee.

Robert Hooke (1635-1703) difese la natura ondulata della luce, nei suoi studi sul colore e sulla rifrazione, affermando che la luce si comportava come un'onda sonora che si propagava rapidamente quasi istantaneamente attraverso un mezzo di materiale.

Successivamente Huygens (1629-1695), basato sulle idee di Hooke, consolidò la teoria ondulata della luce nella sua I TRAIT de la lumière (1690) in cui le onde luminose emesse dai corpi luminosi vengono propagate attraverso un mezzo sottile ed elastico chiamato etere.

La teoria ondulata di Huygens spiega i fenomeni di riflessione, rifrazione e diffrazione molto meglio della teoria corpuscolare di Newton e dimostra che la velocità della luce diminuisce spostandosi da un mezzo meno denso a un mezzo più denso.

Le idee di Huygens non sono state accettate dagli scienziati del tempo per due motivi. Il primo era l'impossibilità di spiegare in modo soddisfacente la definizione di etere, E il secondo era il prestigio di Newton attorno alla sua teoria sui meccanici che influenzarono una grande maggioranza di scienziati a decidere di sostenere il paradigma corpuscolare della luce.

Rinascimento della teoria ondulata

All'inizio del XIX secolo, Tomas Young (1773-1829) fa sì che la comunità scientifica accetti il ​​modello ondulatorio di Huygens dai risultati del suo esperimento di interferenza leggera. L'esperimento ha permesso di determinare le lunghezze d'onda dei diversi colori.

Nel 1818 Fresnell (1788-1827) ripensare la teoria ondulata di Huygens basata sul principio di interferenza. Ha anche spiegato il fenomeno di Birrefringencia de la Luz, che gli ha permesso di affermare che la luce è un'onda trasversale.

Nel 1808 Arago (1788-1853) e Malus (1775-1812) spiegarono il fenomeno della polarizzazione della luce dal modello ondulatorio.

I risultati sperimentali di Fizeau (1819-1896) nel 1849 e Foucalt (1819-1868) nel 1862 consentirono di verificare che la luce si diffonda più velocemente nell'aria che nell'acqua, contraddicendo la spiegazione data da Newton da Newton.

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Nel 1872, Maxwell pubblica il suo Trattato di elettricità e magnetismo, in cui enuncia le equazioni che sintetizzano l'elettromagnetismo. Dalle sue equazioni ottenne l'equazione dell'onda che consentiva l'analisi del comportamento di un'onda elettromagnetica.

Maxwell ha scoperto che la velocità di propagazione di un'onda elettromagnetica è correlata al mezzo di propagazione e coincide con la velocità della luce, concludendo che la luce è un'onda elettromagnetica.

Infine, Hertz (1857-1894) nel 1888 riesce a produrre e rilevare onde elettromagnetiche e confermare che la luce è un tipo di onda elettromagnetica.

What Study Optics fisico?

Fenomeni di studi sull'ottica fisica correlati alla natura ondulata della luce, come interferenza, diffrazione e polarizzazione.

Interferenza

L'interferenza è il fenomeno con il quale due o più onde di luce si sovrappongono coesistono nella stessa regione dello spazio, formando fasce luminose e scure.

Le bande luminose si verificano quando vengono aggiunte diverse onde per produrre un'onda più alta. Questo tipo di interferenza si chiama interferenza costruttiva.

Quando le onde si sovrappongono per produrre un'onda di larghezza inferiore, l'interferenza si chiama interferenza distruttiva e vengono prodotte bande di luce scura.

Interference [di InduTiveLoad (https: // Commons.Wikimedia.org/wiki/file: costructive_interference.Svg)]

Il modo in cui le bande colorate sono distribuite si chiama pattern di interferenza. L'interferenza può essere vista nelle bolle di sapone o negli strati di olio di una strada bagnata.

Diffrazione

Il fenomeno della diffrazione è il cambiamento nella direzione di propagazione che l'onda leggera sperimenta influenzando un ostacolo o aprendo alterando la sua ampiezza e fase.

Come il fenomeno di interferenza, la diffrazione è il risultato della sovrapposizione di onde coerenti. Due o più onde luminose sono coerenti quando variano con la stessa frequenza mantenendo un rapporto di fase costante.

Man mano che l'ostacolo sta aumentando.

Polarizzazione

La polarizzazione è il fenomeno fisico con cui l'onda vibra in una direzione perpendicolare al piano contenente il campo elettrico. Se l'onda non ha una direzione di propagazione fissa, si dice che l'onda non sia polarizzata. Esistono tre tipi di polarizzazione: polarizzazione lineare, polarizzazione circolare e polarizzazione ellittica.

Se l'onda vibra parallela a una linea fissa che descrive una linea retta nel piano di polarizzazione, si dice che sia polarizzato linearmente.

Quando il campo elettrico dell'onda descrive un cerchio nel piano perpendicolare alla stessa direzione di propagazione, mantenendo costante la sua magnitudo, si dice che l'onda sia circolare polarizzata.

Se il vettore del campo elettrico dell'onda descrive un'ellisse nel piano perpendicolare alla stessa direzione di propagazione, si dice che l'onda sia ellittica polarizzata.

Termini frequenti in ottica fisica

Polarizzazione

È un filtro che consente solo una parte della luce che è orientata in una singola direzione specifica passa attraverso di essa senza perdere quelle onde che sono orientate in altre direzioni.

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Anteriore onda

È la superficie geometrica in cui tutte le parti di un'onda hanno la stessa fase.

Ampiezza e fase d'onda

L'ampiezza è l'allungamento massimo di un'onda. La fase di un'onda è lo stato di vibrazione in un istante di tempo. Due onde sono in fase quando hanno lo stesso stato di vibrazione.

Brewster Angle

È l'angolo di incidenza della luce attraverso la quale l'onda di luce riflessa è completamente polarizzata.

Infrarosso

Luce non visibile dall'occhio umano nello spettro di radiazione elettromagnetica 700nm 1000μm.

Velocità di luce

È una costante di velocità di propagazione dell'onda luminosa nel vuoto il cui valore è 3 × 10⁸SM. La luce della luce della luce varia quando si diffonde in un mezzo di materiale.

Lunghezza d'onda

Misura della distanza tra una cresta e un'altra cresta o tra una valle e un'altra valle d'onda per diffondersi.

Ultravioletto

Radiazioni elettromagnetiche non visibili con spettro di lunghezza d'onda inferiore a 400nm.

Leggi sull'ottica fisica

Alcune leggi dell'ottica fisica che descrivono i fenomeni di polarizzazione e interferenza sono menzionate di seguito

Leggi di Fresnell e Arago

1. Due ondate di luce con polarizzazioni lineari, coerenti e ortogonali non interferiscono tra loro per formare un modello di interferenza.
2. Due ondate di luce con polarizzazioni lineari, coerenti e parallele possono interferire in una regione di spazio.
3. Due onde di luce naturale con polarizzazioni lineari, non coerenti e ortogonali non interferiscono tra loro per formare un modello di interferenza.

Malus Law

La legge di Malus stabilisce che l'intensità della luce trasmessa da un polarizzatore è direttamente proporzionale al quadrato del coseno dell'angolo che forma l'asse di trasmissione del polarizzatore e l'asse di polarizzazione dell'incidente della luce. In altre parole:

I = i₀cos²θ

I =Itesità della luce trasmessa dal polarizzatore

θ = Angolo tra l'asse di trasmissione e l'asse di polarizzazione del raggio incidente

Yo₀ = Intensità della luce incidente

Malus Law [di Freshneesz (https: // Commons.Wikimedia.org/wiki/file: malus_law.Svg)]

Legge del Brewster

Il raggio di luce riflesso da una superficie è completamente polarizzato, nella direzione normale al piano di incidenza della luce, quando l'angolo che forma il raggio riflesso con il raggio rifratto è pari a 90 °.

Brewster Law [di PAJS (https: // Commons.Wikimedia.Org/Wiki/File: Brewsters-angolo.Svg)]

Applicazioni

Alcune delle applicazioni di ottica fisica sono nello studio dei cristalli liquidi, nella progettazione di sistemi ottici e metrologia ottica.

Cristalli liquidi

I cristalli liquidi sono materiali tra lo stato solido e lo stato liquido, le cui molecole hanno un momento di dipolo che induce una polarizzazione della luce che li colpisce. Da questa proprietà sono stati sviluppati schermi di calcolatrice, monitor, laptop e telefoni cellulari.

Orologio digitale con schermo di cristallo liquido (LCD) [di BBCLCD (https: // Commons.Wikimedia.org/wiki/file: casio_lcd_watch_f-e10.Jpg)]

Progettazione di sistemi ottici

Spesso i sistemi ottici sono utilizzati nella vita di tutti i giorni, nella scienza, nella tecnologia e nella salute. I sistemi ottici consentono l'elaborazione, la registrazione e la trasmissione di informazioni da fonti come il sole, il LED, la lampada di tungsteno o il laser. Esempi di sistemi ottici sono diffrattometro e interferometro.

Metrologia ottica

È responsabile di effettuare misurazioni ad alta risoluzione dei parametri fisici in base all'onda luminosa. Queste misurazioni sono effettuate con interferometri e strumenti di rifrazione. Nell'area medica, la metrologia viene utilizzata per eseguire un monitoraggio costante dei segni vitali del paziente.

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Ricerche recenti in ottica fisica

Effetto kerker optomeccanico (a. V. Poshakinskiy1 e a. N. Poddubny, 15 gennaio 2019)

Poshakinskiy e Poddubny (1) hanno mostrato che le particelle nanometriche con movimento vibratorio possono manifestare un effetto meccanico ottico simile a quello proposto da Kerker et al (2) nel 1983.

L'effetto Kerker è un fenomeno ottico che consiste nell'ottenere una forte direzionalità della luce dispersa da particelle sferiche magnetiche. Questa direzionalità richiede che le particelle abbiano risposte magnetiche della stessa intensità delle forze elettriche.

L'effetto Kerker è una proposta teorica che richiede particelle di materiale con caratteristiche magnetiche ed elettriche che attualmente non esistono nella natura Posthakinskiy e Poddubny ha raggiunto lo stesso effetto sulle particelle nanometriche, senza una significativa risposta magnetica, che vibrano nello spazio.

Gli autori hanno dimostrato che le vibrazioni della particella possono creare polarizzazioni magnetiche ed elettriche che interferiscono correttamente, perché è indotta nella particella di componenti di polarità magnetica ed elettrica con lo stesso ordine di grandezza quando è considerata la dispersione anelastica della luce.

Gli autori propongono l'applicazione dell'effetto ottico-meccanico sui dispositivi ottici nanometrici quando li fanno vibrare dall'applicazione delle onde acustiche.

Comunicazione ottica extracorporale (D. R. Dhatchayeny e y. H. Chung, maggio 2019)

Dhatchayeny e Chung (3) propongono un sistema sperimentale di comunicazione ottica extracorporale (OEBC) in grado di trasmettere informazioni sui segni vitali delle persone attraverso applicazioni sui telefoni cellulari con tecnologia Android. Il sistema è costituito da una serie di sensori e un concentratore di diodi (disposizione LED).

I sensori sono collocati in varie parti del corpo per rilevare, elaborare e comunicare segni vitali come impulsi, temperatura corporea e velocità respiratoria. I dati vengono raccolti tramite la disposizione a LED e trasmessi tramite la fotocamera del telefono cellulare con l'applicazione ottica.

La disposizione a LED emette luce nella gamma di lunghezze d'onda a dispersione Rayleight Gans Debye (RGB). Ogni combinazione di colori e colori emesse sono correlate a segni vitali.

Il sistema proposto dagli autori può facilitare il monitoraggio dei segni vitali in modo affidabile, poiché gli errori nei risultati sperimentali erano minimi.

Riferimenti

1. Effetto kerker optomeccanico. Poshakinskiy, a v e poddubny, a n. 1, 2019, revisione fisica x, vol. 9, p. 2160-3308.
2. Scattering elettromagnetico da parte di sfere magnetiche. Kerker, M, Wang, D S e Giles, C L. 6, 1982, Journal of the Optical Society of America, Vol. 73.
3. Comunicazione ottica in extra-corpo che utilizza telecamere per smartphone per la trasmissione dei segni vitali umani. Dhatchayeny, d e chung e. 15, 2019, Appl. Optare., Vol. 58.
4. Al-Azzawi, a. Principi e pratiche di ottica fisica. Boca Raton, FL: CRC Press Taylor & Francis Group, 2006.
5. Grattan-ghiozze, i. Enciclopedia della storia e filosofia delle scienze matematiche. New York, US: Routledge, 1994, Vol. Ii.
6. Akhmanov, s a e nikitin, s yu. Ottica fisica. New York: Oxford University Press, 2002.
7. Lipson, A, Lipson, S G e Lipson, H. Ottica fisica. Cambridge, Regno Unito: Cambridge University Press, 2011.
8. Mickelson, r. Ottica fisica. New York: Springer Science+Business Media, 1992.
9. Jenkins, F a e bianco, h e. Fondamenti di ottica. NY: McGraw Hill Higher Education, 2001.