Indice di ottica, luce e microscopia per l'università

INDICE

1

• OND E LUCE
• Definizione di onda e luce
• Grandezze caratteristiche delle onde
• Onde elettromagnetiche (propagazione, caratteristiche, polarizzazione)
• Polarizzazione della luce (lineare, circolare, ellittica, ruolo dei polarizzatori)
• Indice di rifrazione e velocità della luce nei materiali
• Legge di Snell e rifrazione
• Riflessione interna totale

2. LENTI E SISTEMI OTTICI

• Definizione di lente e principio di funzionamento
• Tipologie di lenti (convergenti e divergenti)
• Equazione del costruttore di lenti
• Fuoco, distanza focale e ingrandimento
• Difetti e aberrazioni ottiche (aberrazione cromatica, sferica, curvatura di campo)
• Occhio come sistema ottico e difetti della vista (miopia, ipermetropia)
• Combinazione di lenti

3. LUCE ED ENERGIA

• Energia trasportata dalla luce e intensità
• Relazione tra energia e lunghezza d'onda
• Interazione tra luce e materia (assorbimento ed emissione)
• Teoria quantistica della luce (fotoni, costante di Planck)
• Salti energetici molecolari (transizioni elettroniche, vibrazionali e rotazionali)
• Energia minima per la transizione elettronica

4. SORGENTI DI LUCE

• Lampade alogene (principio di funzionamento, spettro emesso)
• Lampade ad arco (gas ionizzati, spettri di emissione)
• LED (diodi a emissione luminosa, semiconduttori di tipo N e P, meccanismo di emissione)
• Laser (principio di funzionamento, caratteristiche della luce emessa)

5. RIVELATORI DI LUCE

• Fototubi e fotomoltiplicatori (PMT)
• Fotodiodi (conversione di luce in corrente elettrica)
• Sensori CCD e CMOS (principio di funzionamento, differenze)
• Misurazione della lunghezza d'onda con filtri, specchi dicroici e reticoli di diffrazione

6. SPETTROSCOPIA E MISURAZIONE DELLA LUCE

• Spettrofotometro (misura di assorbimento e trasmittanza)
• Legge di Beer-Lambert (assorbanza e concentrazione)
• Tecniche spettroscopiche per l'analisi dei materiali

7. IL MICROSCOPIO

• Microscopio diretto vs invertito
• Lenti del microscopio (obiettivi e oculari)
• Condensatore e diaframmi (illuminazione di Köhler)
• Risoluzione ottica (concetto di NA, disco di Airy)

8. TIPOLOGIE DI MICROSCOPIA

• Microscopia in campo oscuro (uso di dischi opachi, immagini su sfondo nero)
• Microscopia a contrasto di fase (visualizzazione di materiali trasparenti)
• Microscopia a contrasto di interferenza differenziale (effetti di luce e ombre)
• Microscopia polarizzata (uso di polarizzatori per osservare materiali birifrangenti)2
• Microscopia a fluorescenza (principi di fluorescenza, fluorofori, fotobleaching)

9. FLUORESCENZA E APPLICAZIONI

• Meccanismi di assorbimento ed emissione dei fluorofori
• Tempo di vita della fluorescenza
• Strumenti per la misurazione (fluorimetro, lettori di piastre)
• Applicazioni della fluorescenza (immunofluorescenza, FRET)
• Proteine fluorescenti (GFP e varianti)3

ONDE E LUCE

Un'onda è una perturbazione che si propaga nello spazio trasportando energia senza trasporto di materia. Un'onda può essere meccanica (come le onde sonore o le onde del mare) o elettromagnetica (come la luce). La luce è un'onda elettromagnetica, ovvero una propagazione oscillante di campi elettrici e magnetici accoppiati. Essa può propagarsi anche nel vuoto, a differenza delle onde meccaniche che necessitano di un mezzo materiale per diffondersi.

GRANDEZZE CARATTERISTICHE DELLE ONDE

Quando si descrive un'onda, è fondamentale considerare alcune grandezze fisiche:

• Lunghezza d'onda (2): indica la distanza tra due creste o due ventri successivi di un'onda.
• Periodo (T): rappresenta il tempo necessario affinché l'onda completi un'oscillazione completa.
• Velocità di propagazione (V): definita dalla formula: V = ªv ={ T Questa grandezza indica quanto rapidamente l'onda si propaga nello spazio.
• Numero d'onda (k): rappresenta il numero di oscillazioni per unità di lunghezza e si calcola come: k :k = 2 2x
• Pulsazione (@): rappresenta la velocità con cui viene effettuata un'oscillazione completa e si esprime con: @ = :(1)= 푸 . Frequenza (f): rappresenta il numero di oscillazioni al secondo ed è data da: f = 1 La frequenza è espressa in Hertz (Hz), dove 1 Hz corrisponde a un'oscillazione al secondo.

ONDE ELETTROMAGNETICHE

Le onde elettromagnetiche, come la luce visibile, sono particolari onde che si propagano nello spazio grazie all'interazione tra campo elettrico e campo magnetico oscillanti. Proprietà delle Onde Elettromagnetiche:

1. Sono la propagazione di campi elettrici e magnetici: queste due componenti oscillano in direzioni perpendicolari tra loro e alla direzione di propagazione dell'onda.
2. Sono onde trasversali: l'oscillazione del campo elettrico e magnetico avviene perpendicolarmente alla direzione di propagazione dell'onda.
3. Sono polarizzate: l'oscillazione del campo elettrico segue una direzione ben definita, il che consente di filtrare le onde con polarizzatori.
4. Possono avere qualsiasi lunghezza d'onda: non esiste un limite fisico alla lunghezza d'onda delle onde elettromagnetiche, motivo per cui esistono raggi gamma con lunghezze d'onda estremamente piccole e onde radio con lunghezze d'onda molto grandi.
5. Si propagano nel vuoto: a differenza delle onde meccaniche, le onde elettromagnetiche non necessitano di un mezzo materiale per propagarsi. Nel vuoto, tutte le onde elettromagnetiche si propagano alla velocità della luce: c = 3 x 108 m/s Queste proprietà rendono le onde elettromagnetiche fondamentali per numerosi fenomeni naturali e applicazioni tecnologiche, come la trasmissione di segnali radio, le telecomunicazioni, l'ottica e l'astrofisica.

SPETTRO VISIBILE

violetto blu verde giallo arancione rosso 380 430 490 560 580 620 780 nm raggi gamma raggi x UV IR microonde onde radio onde radio lunghe 10 1012 10 0 100 10 10" 10 1 102 10 10 10 m cresta O tempo TV ventre 0 spazio 24

Polarizzazione della luce

La luce, essendo un'onda elettromagnetica trasversale, è caratterizzata da un campo elettrico E e un campo magnetico B, entrambi perpendicolari alla direzione di propagazione dell'onda. La polarizzazione della luce si riferisce all'orientazione del vettore campo elettrico rispetto alla direzione di propagazione. Se consideriamo un'onda piana che si propaga lungo l'asse y, il campo elettrico può oscillare in direzioni diverse nel piano xz, dando origine a diverse forme di polarizzazione:

• Polarizzazione lineare: il vettore E oscilla in una direzione fissa lungo un unico asse nel piano perpendicolare alla propagazione. Se il campo elettrico si mantiene lungo una direzione costante (es. l'asse x), si parla di polarizzazione orizzontale o verticale, a seconda dell'orientamento.
• Polarizzazione circolare: il vettore E ruota con velocità angolare costante attorno alla direzione di propagazione, descrivendo un moto elicoidale nello spazio tridimensionale. Questo avviene quando due componenti ortogonali del campo elettrico hanno uguale ampiezza e una differenza di fase di ±nt/2.
• Polarizzazione ellittica: rappresenta il caso più generale, in cui il vettore E segue una traiettoria ellittica nel piano perpendicolare alla propagazione. Si ottiene combinando due componenti ortogonali con ampiezze diverse o una fase arbitraria diversa da 0 0 ±n/2.

Polarizzazione Lineare, Circolare ed Ellittica

Linear Polarization Circular (Right Hand) Polarization AX . Z y - y - y Polaroid Polarized wave Non-polarized wave Elliptical (Right Hand) Polarization X . Z .Z5

Indice di rifrazione

L'indice di rifrazione di un materiale è una grandezza adimensionale che quantifica la riduzione della velocità della luce all'interno del mezzo rispetto alla sua velocità nel vuoto. È definito come: n = c - dove: v

• c è la velocità della luce nel vuoto (approssimativamente 3 x 10^8 m/s);
• v è la velocità della luce nel mezzo considerato. L'indice di rifrazione è sempre maggiore di 1, e tipicamente varia tra 1 (vuoto) e 1.8 per i materiali ottici comuni come il vetro. Tuttavia, può assumere valori significativamente più alti in materiali densi come il diamante (n = 2.42) o in semiconduttori ottici. L'indice di rifrazione dipende non solo dalla densità del materiale ma anche dalla sua polarizzabilità e dalla frequenza della radiazione incidente. Tale dipendenza è descritta dalla Un polarizzatore è un dispositivo che seleziona una specifica direzione di oscillazione del campo elettrico. I polarizzatori più comuni sono basati su materiali anisotropi, cristalli birifrangenti o filtri di assorbimento come i polarizzatori di Polaroid. Se due polarizzatori sono orientati perpendicolarmente, la luce incidente viene completamente bloccata, in accordo con la legge di Malus, che stabilisce che l'intensità trasmessa segue la relazione I = 1_0 cos^2(0), dove 0 è l'angolo tra il vettore campo elettrico incidente e l'asse di polarizzazione. dispersione ottica, che segue la relazione empirica di Cauchy o, più precisamente, il modello di Sellmeier: n2(2) = 1 + Σ i 22 - Ci B; 12 dove B_i e C_i sono parametri empirici legati alle risonanze elettroniche del materiale e À è la lunghezza d'onda della luce.

LEGGE DI SNELL E RIFRAZIONE DELLA LUCE

Quando un'onda luminosa attraversa l'interfaccia tra due mezzi con indice di rifrazione diverso, subisce un cambiamento di direzione secondo la legge di Snell: n1 sin (1 = n2 sin 02 dove:

• n_1, n_2 sono gli indici di rifrazione dei due mezzi,
• 0_1 è l'angolo di incidenza rispetto alla normale alla superficie,
• 0_2 è l'angolo di rifrazione nel secondo mezzo. Se n_2 > n_1, la luce viene deviata verso la normale (rifrazione verso l'interno); se n_2 < n_1, la luce si allontana dalla normale (rifrazione verso l'esterno). Un caso particolare si verifica quando la luce passa da un mezzo più denso a uno meno n2 denso (n_1 > n_2): se 0_1 supera un valore critico 0_c, definito da: sin ec n1 - 12 P normal n1 V1 interface 0 n2 V2 02 Q tutta la luce viene riflessa internamente anziché trasmettersi nel secondo mezzo. Questo fenomeno, noto come riflessione totale interna, è alla base delle fibre ottiche e delle guide d'onda ottiche. Infine, la rifrazione della luce dipende anche dalla sua polarizzazione. In particolare, l'angolo di incidenza per il quale la luce riflessa è completamente polarizzata è noto come angolo di n2 Brewster e soddisfa: tan OB n1 Per questo angolo, la luce riflessa è totalmente polarizzata nel piano perpendicolare all'incidenza. L'insieme di questi fenomeni gioca un ruolo fondamentale in ottica, spettroscopia e fotonica, con applicazioni che spaziano dalle lenti correttive alla trasmissione di dati tramite fibre ottiche.