Òttica.

Parte della fisica che studia i fenomeni luminosi. È detta anche o. ordinaria, per distinguerla da altri rami della fisica che si occupano di fenomeni analoghi a quelli cui dà luogo la luce (o. elettronica, o. delle radioonde, ecc.). ║ Tecnologia di fabbricazione di elementi di strumenti ottici (prismi, lenti, specchi, ecc.) e degli strumenti stessi. • Fis. - Lo studio dei fenomeni connessi alla propagazione della luce può essere affrontato in diversi modi: in base a ciò, si suole suddividere l'o. in o. geometrica, o. ondulatoria e o. fisica. L'o. geometrica e quella ondulatoria sono entrambe teorie a sfondo prevalentemente geometrico; studiano i fenomeni che si determinano quando radiazioni luminose incontrano, lungo il loro cammino, corpi trasparenti od opachi, o interferiscono con altre radiazioni luminose. L'o. fisica, invece, si occupa dei fenomeni e delle questioni inerenti alla natura della luce, alla sua emissione e al suo assorbimento: per i suoi legami con l'elettromagnetismo, essa è anche detta o. elettromagnetica. ║ O. geometrica: l'o. geometrica si fonda, da una parte, sulla considerazione di enti astratti come i raggi luminosi, dall'altra sul principio di propagazione rettilinea della luce, sul principio di indipendenza dei raggi luminosi e sul principio di Fermat. Per introdurre quest'ultimo, definiamo indice di rifrazione assoluto di un mezzo la quantità n = c/v, dove c è la velocità della luce nel vuoto e v la velocità della luce nel mezzo preso in considerazione; data una sorgente S e un punto P, definiamo cammino ottico, associato a un cammino geometrico da S a P di lunghezza l, la grandezza nl. Il principio di Fermat, enunciato nel 1640, afferma che il raggio seguito dalla luce è quello, tra gli infiniti cammini geometrici, cui corrisponde il minimo oppure il massimo cammino ottico; da questo principio possono essere dedotte le leggi della riflessione e della rifrazione, che sono appunto i fenomeni di competenza dell'o. geometrica. Gli schemi descrittivi di quest'ultima cessano di essere validi quando si debba tener conto dell'effettiva distribuzione istantanea dell'energia luminosa, ovvero quando intervengano grandezze lineari non trascurabili rispetto alla lunghezza d'onda λ del raggio luminoso. Nonostante tali restrizioni, l'o. geometrica ha un ruolo fondamentale nella trattazione dei sistemi ottici, data la sua semplicità; in tale settore, inoltre, risulta comodo assumere un'ulteriore ipotesi semplificativa, la cosiddetta approssimazione di Gauss, che consiste nel considerare solo raggi parassiali, cioè poco inclinati rispetto all'asse ottico, e superfici di piccola apertura. ║ O. ondulatoria: come già detto, numerosi fenomeni ottici non possono essere spiegati senza tener presente la natura ondulatoria della luce; fondamentale è il principio di Huygens (1678), secondo il quale ogni punto di un fronte d'onda può essere riguardato come una sorgente di onde sferiche secondarie, il cui inviluppo costituisce, in ogni istante successivo, il nuovo fronte d'onda. Tale principio fu integrato, in seguito, da Fresnel (1820) e da Kirchhoff (1882): se S è una sorgente puntiforme contenuta in una superficie chiusa , il potenziale elettrodinamico scalare V in ogni punto P dello spazio esterno è dato dalla sovrapposizione dei potenziali generati in P dai vari punti della superficie , agenti come sorgenti secondarie eccitate dalla sorgente primaria S. Tale principio è alla base dell'interpretazione dei fenomeni di interferenza e di diffrazione. ║ O. elettronica: l'o. elettronica è quella parte della fisica che, partendo dall'analogia formale tra il moto degli elettroni nei campi elettrici e magnetici e il comportamento della luce nei mezzi trasparenti, studia i problemi relativi al movimento degli elettroni con i metodi e gli schemi propri dell'o. ordinaria. In analogia a quanto già visto, anche l'o. elettronica si distingue in o. elettronica geometrica e o. elettronica ondulatoria: la prima studia i problemi della riflessione e della rifrazione di fasci di elettroni, considerando questi ultimi come corpuscoli puntiformi carichi, soggetti alle leggi dell'elettromagnetismo. La seconda, invece, studia i fenomeni di propagazione collegati alla natura ondulatoria dell'elettrone: infatti, ad ogni elettrone in movimento può essere associata un'onda (onda di probabilità), avente lunghezza λ = h/p, dove h è la costante di Planck e p è la quantità di moto dell'elettrone. ║ O. elettronica geometrica: ramo della fisica elettronica che studia il moto degli elettroni trascurando i fenomeni di irraggiamento, utilizzando gli strumenti della dinamica classica; in genere, i campi elettrici e magnetici esaminati sono statici. Con queste ipotesi, si può dimostrare che i raggi elettronici (ovvero le traiettorie degli elettroni, in analogia ai raggi luminosi) soddisfano un'equazione variazionale formalmente identica al principio di Fermat. L'analogia tra o. geometrica della luce e o. elettronica geometrica, tuttavia, ha dei limiti: a differenza di quanto accade negli strumenti ottici, negli strumenti dell'o. elettronica i campi elettrici e magnetici che provocano i fenomeni di riflessione e di rifrazione agiscono con continuità sul fascio di elettroni, provocando effetti diversi da quelli luminosi. Tuttavia, come nell'o. geometrica, è possibile costruire dispositivi riflettenti e rifrangenti per fasci di elettroni, e in particolare lenti elettroniche, cioè strumenti per concentrare fasci elettronici mediante campi elettrici e magnetici; inoltre, le caratteristiche di tali lenti possono essere variate a piacere, a differenza delle lenti trattate nell'o. ordinaria, semplicemente variando i campi elettrici o magnetici che intervengono in esse. Le lenti elettrostatiche, nelle quali vengono usati solo campi elettrostatici, sono le più semplici e diffuse. Sugli elettroni agisce una forza direttamente proporzionale all'intensità del campo, diretta come quest'ultimo: tale forza è in grado di deviare gli elettroni del fascio, così da ottenere un effetto di focalizzazione analogo a quello prodotto da una lente convergente di vetro su un fascio di raggi luminosi paralleli al suo asse. Le lenti magnetiche sono caratterizzate dall'impiego di un campo magnetico costante, avente una simmetria di rotazione intorno a una retta (asse ottico). Il tipo usuale di lente magnetica è costituito da un solenoide percorso da una corrente elettrica, che produce un campo magnetico uniforme diretto secondo l'asse; in base alla legge di Lorentz, i fasci di elettroni che entrano nel solenoide in direzione parallela al suo asse non vengono deviati, mentre i fasci aventi direzione inclinata sono sottoposti ad una forza perpendicolare all'asse, proporzionale alla loro velocità, che li costringe a descrivere traiettorie elicoidali. L'effetto complessivo generato dal solenoide è quello di far convergere tutti gli elettroni in un unico punto dell'asse, con una focalizzazione analoga a quella prodotta dalle lenti di vetro convergenti; a causa delle traiettorie elicoidali percorse dagli elettroni, tuttavia, l'immagine di un oggetto esteso, prodotta da una lente magnetica, è sempre più o meno ruotata, rispetto all'oggetto stesso, intorno all'asse della lente. Questa aberrazione, che non si presenta nelle lenti elettrostatiche, è caratteristica di quelle magnetiche. Una lente elettronica, trascurando gli effetti della diffrazione, dà un'immagine perfetta solo se le dimensioni dell'oggetto e della sua immagine sono molto piccole, se i raggi elettronici che concorrono a formare l'immagine sono poco inclinati e, infine, se la velocità degli elettroni è uniforme e trascurabile la mutua repulsione fra elettroni: quando tali ipotesi non sono soddisfatte, si hanno fenomeni di aberrazione analoghi a quelli delle lenti di vetro. Tali aberrazioni si distinguono in geometriche, di cromatismo e di carica spaziale. Le aberrazioni geometriche si ottengono quando non sono verificate le ipotesi fatte sulle dimensioni dell'oggetto e sulle inclinazioni dei raggi; come nelle lenti di vetro, gli effetti che esse causano si distinguono in aberrazione sferica, coma, curvatura del campo, astigmatismo e distorsione. L'aberrazione cromatica dipende da differenze nelle velocità iniziali degli elettroni; l'aberrazione di carica spaziale, infine, dipende dall'eccessiva concentrazione di elettroni, che provoca una diminuzione del potenziale con conseguente riduzione della velocità degli stessi elettroni. ║ O. elettronica ondulatoria: ramo della fisica elettronica che studia i fenomeni connessi alla natura ondulatoria dell'elettrone, quali la diffrazione e l'interferenza. La prima esperienza di diffrazione elettronica fu eseguita nel 1927 da G.J. Davisson e L.M. Germer, utilizzando reticoli cristallini; la loro esperienza fu in seguito modificata e perfezionata, giungendo alle attuali tecniche, che trovano largo impiego nell'industria per lo studio di superfici o di strati superficiali. La natura ondulatoria degli elettroni si manifesta anche nel fenomeno dell'interferenza, che, tuttavia, mostra caratteristiche diverse rispetto all'o. luminosa. Si consideri una lastra con due fenditure parallele (come nella classica esperienza di Young per la luce), attraverso cui siano fatti passare indipendentemente numerosi elettroni, e si osservino le tracce prodotte da essi su una lastra fotografica: tali tracce mostrano massimi e minimi simili a quelli delle figure di interferenza luminosa che, tuttavia, non possono essere spiegati mediante l'interazione fra gli elettroni, poiché questi sono passati nel sistema separatamente: tale fenomeno può essere descritto solo con l'aiuto della funzione d'onda, associata ad ogni elettrone. ║ O. non lineare: il complesso dei fenomeni ottici legati a caratteristiche non lineari del mezzo ottico, cioè a fenomeni di polarizzazione o di magnetizzazione dipendenti dall'intensità del campo polarizzante o magnetizzante secondo potenze superiori alla prima. La teoria della propagazione di onde elettromagnetiche in mezzi non lineari può essere sviluppata con gli strumenti classici: il contributo non lineare alla polarizzazione viene trattato come una perturbazione e compare come ulteriore termine di sorgente nelle equazioni di Maxwell: è il fenomeno della generazione di armoniche ottiche, solo recentemente osservato. Accanto ad esso, un secondo fenomeno non lineare, dipendente dalla polarizzazione del secondo ordine, è l'amplificazione parametrica della luce, che consiste nella possibilità di trasferire energia da fasci di luce con data frequenza a fasci di luce con frequenza diversa; dalla polarizzazione del terzo ordine, invece, seguono i vari tipi di diffusione, come l'effetto Raman, Faraday, Kerr. Tali fenomeni trovano applicazione in spettroscopia e nello studio degli impulsi ultracorti. ║ O. delle onde hertziane: dall'identità di natura fisica fra le onde luminose e le onde hertziane segue che i fenomeni fondamentali di propagazione sono i medesimi per le une e per le altre. Le prime ricerche in questo campo furono quelle celebri con cui H. Hertz verificò (1888) l'identità delle leggi di riflessione e rifrazione per le onde luminose e per quelle elettromagnetiche: Hertz ottenne la riflessione su riflettori metallici piani, sferici e parabolici, e la rifrazione in prismi di asfalto. Oggi si dispone di una larga serie di dispositivi ottici per radioonde, specialmente per le microonde, la cui lunghezza rende facile la realizzazione di tali dispositivi. ║ O. delle particelle: costituisce una generalizzazione dell'o. elettronica, ottenuta estendendo i principi di quest'ultima ai vari tipi di particelle cariche (protoni, ioni, ecc.). Trova applicazione nel progetto degli spettrografi di massa, dei microscopi ionici e delle macchine acceleratrici (ciclotroni, sincrotroni, ecc.). ║ O. quantistica: parte dell'o. che si occupa dei fenomeni nei quali intervengono effetti quantistici, quali l'effetto fotoelettronico e l'emissione laser.