Ottica

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Introduzione

Ottica Ramo della fisica che studia la natura della luce e le sue leggi di propagazione. L’ottica si suddivide in tre grandi filoni: l’ottica geometrica, che riguarda i fenomeni macroscopici per i quali è lecito assumere che la luce si propaghi sotto forma di raggi rettilinei; l’ottica fisica, che studia i fenomeni in cui appare evidente la natura ondulatoria della luce; e l’ottica quantistica, che spiega i fenomeni di interazione tra la luce e la materia a livello atomico.

Prende invece il nome di ottica elettronica la disciplina che ha come oggetto lo studio della propagazione degli elettroni in base alle leggi dell’ottica propriamente detta.

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Ottica geometrica

L'ottica geometrica si basa su due assunti fondamentali: che la luce si propaghi sotto forma di raggi rettilinei assimilabili a rette geometriche, e che i raggi luminosi siano indipendenti, vale a dire che non interagiscano in alcun modo quando vengono a intersecarsi. Assumendo questi due principi, si possono ricavare le leggi che regolano i fenomeni della riflessione e della rifrazione della luce. Di competenza dell’ottica geometrica sono, quindi, il comportamento della luce in presenza di lenti e specchi e il funzionamento di dispositivi ottici quali microscopi, telescopi, macchine fotografiche e occhiali.

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Dalle origini alla legge di Snell

La storia dell’ottica geometrica ha origini antiche. In Occidente, le prime testimonianze scritte di studi sulla luce e sul suo comportamento risalgono al 300 a.C. e sono attribuite a Euclide: in particolare, egli osservò che la luce viaggia in linea retta e descrisse il fenomeno della riflessione. Spiegò inoltre il meccanismo della visione ipotizzando che fosse basato sull’azione di presunti raggi luminosi che partono dall’occhio e colpiscono l’oggetto.

Tolomeo, intorno al 140 d.C, si occupò invece del fenomeno della rifrazione, intuendo la relazione di proporzionalità diretta tra l’angolo di rifrazione e quello di incidenza. Fu solo molto tempo dopo, nel XIII secolo, che Ruggero Bacone suggerì per la prima volta l’uso di lenti convesse per correggere alcuni difetti della vista. Dopo l’invenzione degli occhiali seguirono quelle di strumenti ottici più complessi: il microscopio composto alla fine del XVI secolo e il telescopio nei primissimi anni del XVII, entrambi realizzati da artigiani olandesi.

Il Seicento fu un secolo molto importante per lo sviluppo dell’ottica: Galileo fece le prime osservazioni astronomiche con un telescopio da lui stesso costruito, Keplero descrisse il fenomeno della riflessione totale, Willebrord Snell (1580-1626) stabilì le leggi della rifrazione, Pierre de Fermat enunciò il principio del tempo minimo (vedi Rifrazione) e Robert Hooke eseguì importanti osservazioni al microscopio. Isaac Newton, infine, riconobbe che la luce solare è la combinazione di componenti monocromatiche diverse, come si può osservare con l’aiuto di un prisma di vetro; inoltre, per risolvere il problema dell’aberrazione cromatica posto dal telescopio a rifrazione, costruì il primo telescopio a riflessione (detto per questo telescopio “newtoniano”).

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Ottica fisica

L'ottica fisica è la branca dell’ottica basata sul riconoscimento che i raggi luminosi non siano in realtà rette geometriche, ma onde. Rispetto all’ottica fisica, quella geometrica rappresenta soltanto un’approssimazione, valida quando la lunghezza d’onda della luce risulta trascurabile rispetto alle dimensioni del sistema fisico in cui viene studiata.

L’ottica fisica fornisce una più dettagliata spiegazione della riflessione e della rifrazione e spiega altri fenomeni, neppure contemplati dall’ottica geometrica, come l’interferenza, la diffrazione e la polarizzazione.