Ottica: la dispersione della luce

Tramite: O2O
Difficoltà: media
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Introduzione

Se hai mai visto un arcobaleno o un prisma dividere quella che sembra essere la luce bianca nel suo arcobaleno di componenti di colore, hai visto la dispersione cromatica. La luce bianca proviene da una sorgente che emette molte onde di EM Rad. La luce solare è luce bianca. In un materiale dispersivo, diverse lunghezze d'onda viaggiano a velocità diverse, il che equivale a dire che ciascuna lunghezza d'onda di EM Rad ha un indice di rifrazione differente nel materiale. Il risultato pratico di questo, come previsto dal principio di Fermat, è che nessuno percorso è il più corto per tutte le lunghezze d'onda nella maggior parte dei sistemi ottici. Le diverse lunghezze d'onda di EM Rad seguono sempre il loro percorso più veloce attraverso un sistema ottico.
Questo ha diverse conseguenze. Uno è che le diverse componenti di colore della luce bianca avranno angoli di rifrazione diversi quando la luce bianca è incidente, con un angolo di incidenza diverso da zero, su un'interfaccia tra due media. Prismi e gocce di pioggia creano entrambi arcobaleni a causa di questo effetto. A seguire saranno illustrati diversi appunti di ottica riguardanti la dispersione della luce.

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Occorrente

  • Prisma
  • Vetro flint
  • Libri di ottica
  • Penna o matita
  • Foglio a quadretti
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Indice di frazione

La luce che si propaga attraverso un sistema ottico può essere attenuata mediante l'assorbimento, la riflessione e la dispersione. Se noi mandiamo su un prisma un fascio di luce bianca, osserveremo che all'uscita, il fascio è composto nei vari colori dell'iride, dall'iride al rosso. Si osserva che i differenti colori sono deviati in maniera diversa: il rosso risulta il colore meno deviato, poi a seguire c'è il giallo, il verde fino al viola. L'indice di rifrazione di ogni sostanza varia al variare della lunghezza d'onda della luce, e poiché i diversi colori che noi vediamo corrispondono a lunghezze d'onda diverse (650 nm è rosso, 580 nm è giallo, 500 nm è verde, 450 nm è blu etc.), ciò vuol dire che l'indice di rifrazione è diverso per i diversi colori.

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Lunghezza d'onda

L'indice di rifrazione è più alto per la luce di colore viola (bassa lunghezza d'onda) e minore per la luce rossa (alta lunghezza d'onda), ossia normalmente l'indice di rifrazione decresce all'aumento della lunghezza d'onda. Il fenomeno osservato col prisma, è dovuto al fatto che nella luce bianca incidente, sono contenute diverse lunghezze d'onda rispetto all'interno del prisma, che poi nella successiva rifrazione si scindono in diversi raggi luminosi (uno per ogni componente contenuto nel fascio incidente). Se invece la luce incidente fosse composta di una sola lunghezza d'onda, non si avrebbe dispersione.

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Potere dispersivo

I sistemi di lenti in apparecchiature sensibili devono essere attentamente progettati per ridurre l'entità della dispersione cromatica e altre aberrazioni (più su aberrazioni successive). Un modo per correggere le aberrazioni cromatiche è quello di formare una lente composta chiamata acromatico. Questo farsetto è costituito da un obiettivo positivo realizzato con vetro a corona e un obiettivo negativo realizzato in vetro flint. Il vetro della corona ha una dispersione moderata e il vetro di selce ha una maggiore dispersione. Il vetro a corona positiva viene trasformato in un obiettivo positivo e il vetro di selce viene trasformato in un obiettivo negativo. Le potenze di due lenti in contatto aggiungono: P = P 1 + P 2, quindi è possibile che il doppietto abbia una potenza positiva se la potenza dell'obiettivo positivo è maggiore della potenza dell'obiettivo negativo. Le diverse dispersioni dei due vetri, combinate con un'attenta regolazione delle curvature dei due obiettivi, possono determinare una lente composta che viene corretta per le aberrazioni cromatiche. A seconda della sostanza usata, questo fenomeno sarà più o meno evidente; vi saranno sostanze poco dispersive e sostanze molto dispersive, per distinguerle viene usato un numero detto "potere dispersivo", o il suo inverso il "numero di Abbe".

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La frequenza

Più alto è il potere dispersivo e maggiore sarà la capacità di una sostanza di separare i diversi colori. L'inverso, vale per il numero di Abbe che sarà alto per le sostanze poco dispersive e basso per quelle dispersive. Infine la dispersione della luce, è una forma di dispersione in cui la luce è la forma di propagazione dell'energia che viene dispersa; dipende dalla lunghezza d'onda o dalla frequenza della luce dispersa. Poiché la luce visibile, presenta lunghezze d'onda dell'ordine di un micrometro, gli oggetti di queste dimensioni, non possono essere visti neanche con l'aiuto di un microscopio. La dispersione della luce è un fenomeno fondamentale nell'ottica. La trasmissione di varie frequenze di luce è essenziale per le applicazioni di trasmissione in fibra ottica e per la ricerca di calore nei sistemi di rilevamento ad infrarossi.

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