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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.

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Dalla teoria di Huygens all’elettromagnetismo

La prima formulazione della teoria ondulatoria della luce si deve a Christiaan Huygens, che sul finire del XVII secolo ipotizzò che i raggi luminosi fossero onde che si propagano in un mezzo elastico chiamato etere. La prima evidenza sperimentale della teoria ondulatoria fu fornita da Thomas Young, che all’inizio del XIX secolo allestì un esperimento – l’esperienza della doppia fenditura – in cui osservò una figura di interferenza generata dalla sovrapposizione di due fasci di luce. In seguito, nel corso del XIX secolo furono numerosi gli scienziati che contribuirono ad ampliare le conoscenze nel campo dell’ottica fisica: tra i più importanti, Joseph Fraunhofer, David Brewster, Armand Fizeau e Jean-Bernard-Léon Foucault. Fraunhofer pose le basi della spettroscopia osservando le righe di assorbimento dello spettro della luce solare e produsse la teoria della diffrazione; Brewster scoprì il fenomeno della polarizzazione per riflessione totale; Fizeau e Foucault misurarono la velocità della luce. Infine, nel 1865, James Clerk Maxwell, nell’ambito della sua teoria dell’elettromagnetismo, riconobbe che le onde di cui la luce è costituita sono di natura elettromagnetica.

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Ottica quantistica

La teoria classica della luce vista come insieme di onde elettromagnetiche spiega esaurientemente i fenomeni di interazione della luce con se stessa, quale, ad esempio, l’interferenza. La sua attendibilità, invece, viene meno nella descrizione delle interazioni tra luce e materia che avvengono su scala microscopica: ad esempio, l’assorbimento e l’emissione di luce da parte dell’atomo. Per la descrizione di questi fenomeni si deve ricorrere alla meccanica quantistica, e in particolare a una sua branca, che prende appunto il nome di ottica quantistica. Questa si basa sul principio secondo cui la luce è costituita da corpuscoli privi di massa detti fotoni o quanti di luce.

Oggi è universalmente riconosciuta la doppia natura della luce: corpuscolare e ondulatoria. A seconda del contesto fisico, emerge ora l’una, ora l’altra delle due; ad esempio, è tipicamente ondulatorio il comportamento della radiazione luminosa nei fenomeni di interferenza, mentre è corpuscolare quello di un fotone che dia luogo a effetto Compton.

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Dall’ipotesi quantistica alle fibre ottiche

L’inadeguatezza del modello ondulatorio a descrivere i fenomeni di interazione della luce con la materia emerse per la prima volta nello studio dello spettro di emissione del corpo nero. Fu per superare la discordanza tra la teoria e i dati sperimentali in questo contesto che Max Planck introdusse il concetto di “quanto” su cui si basa la meccanica quantistica. Di quest’ultima disciplina, l’ottica quantistica rappresenta un ramo: ad essa compete lo studio delle interazioni tra radiazione e materia quando la radiazione appartiene alla regione del visibile. Le più recenti conquiste nel campo dell’ottica sono l’invenzione dell’olografia, del laser e delle fibre ottiche; su queste ultime si basano i più efficienti e moderni sistemi di telecomunicazioni.