LUCE

1. LUCE Appunti per il corso di Fisica per i Beni Culturali Prof. R. Barberi A.A. 2007/08

2. Programma del corso • Onde: lunghezza d’onda, frequenza, velocità • Le onde elettromagnetiche • Lo spettro elettromagnetico • La propagazione della luce: principio di Fermat • Riflessione e rifrazione • Il microscopio otiico • I colori, UV e IR • Le sorgenti luminose ed il laser • Lo spettrofotometro • Spettri di emissione • Spettri di assorbimento • La fotoluminescenza • Luce e materia: i fotoni • Il microscopio elettronico • Applicazioni al campo dei beni culturali: La fluorescenza UV, La riflettografia IR, Lo scanner laser, L’olografia • Esperienze

3. Dimensioni • 103 m – montagne • 1 m – il nostro mondo quotidiano • 10-3 m – millimetri, la vista • 10-6 m – micron, la luce • 10-9 m – nanometri, gruppi di atomi, molecole, nanotecnologie • 10-10m – Ångstrom, l’atomo

4. Onde • In fisica l'onda è un movimento periodico o impulsivo che si propaga in un mezzo (non necessariamente un mezzo materiale) con una velocità ben definita. • L’onda elettromagnetica è costituita dalla propagazione di un campo elettromagnetico, nel vuoto o in un mezzo che la consente. • La luce è l’insieme delle onde elettromagnetiche visibili all’occhio umano

5. Onde In un'onda sinusoidale, la lunghezza d'onda è la distanza tra i picchi: • La lunghezza d'onda è la distanza tra punti ripetitivi di una forma d'onda. Viene comunemente indicata dalla lettera greca lambda (λ). • La lunghezza d'onda ha una relazione inversa con la frequenza, il numero di picchi passati in un dato tempo. • La lunghezza d'onda è uguale alla velocità dell'onda c divisa per la sua frequenza v.

6. La luce Il termine luce (dal latino, lux, lucis) si riferisce alla porzione dello spettro elettromagnetico visibile dall'occhio umano, ed è approssimativamente compresa tra 400 e 700 nanometri (nm) di lunghezza d'onda, ovvero tra 750 e 428 THz di frequenza. Questo intervallo coincide con la regione di massima emissione da parte del sole. I limiti dello spettro visibile all'occhio umano non sono uguali per tutte le persone, ma variano soggettivamente e possono raggiungere i 380 nanometri, avvicinandosi agli ultravioletti, e i 730 nanometri avvicinandosi agli infrarossi.

7. Propagazione La luce si propaga a una velocità finita. Anche gli osservatori in movimento misurano sempre lo stesso valore di c. La velocità della luce nel vuoto è c = 299 792, 458 m/s. Nell'uso comune, questo valore viene arrotondato a 300 000 km/s.

8. Spettro elettromagnetico La luce visibile è una porzione dello spettro elettromagnetico compresa approssimativamente tra i 400 e i 700 nm. La luce è anche caratterizzata dalla sua frequenza. Frequenza f e lunghezza d'onda l obbediscono alla seguente relazione: l = c / f

9. Spettro elettromagnetico

10. Spettro elettromagnetico

11. Colori • Le differenti lunghezze d'onda vengono interpretate dal cervello come colori, che vanno dal rosso delle lunghezze d'onda più ampie (minore frequenza), al violetto delle lunghezze d'onda più brevi (maggiore frequenza). • Non a tutti i colori possiamo associare una lunghezza d'onda. Ad ogni lunghezza d'onda è associabile un colore, ma non è vero il contrario. Ciò dipende dal funzionamento della nostra vista che può “sommare” i colori fondamentali.

12. Il colore è la percezione che deriva dalla composizione spettrale della luce (visibile) che colpisce la retina.

13. Assorbimento della radiazione visibile e percezione del colore

14. Ultravioletto ed infrarosso • Le frequenze immediatamente al di fuori dello spettro percettibile dall'occhio umano vengono chiamate ultravioletto (UV), per le alte frequenze, e infrarosso (IR) per le basse. • Anche se gli esseri umani non possono vedere l'infrarosso, esso viene percepito dai recettori della pelle come calore. • Alcuni animali, come le api, riescono a vedere gli ultravioletti; altri invece riescono a vedere gli infrarossi.

15. Sorgenti di luce • Lampada ad incandescenza • Lampada alogena • Lampada fluorescente • Lampada a scarica • LED • Laser • …

16. Lampada ad incandescenza • È la classica “lampadina” • è una sorgente luminosa in cui la luce viene prodotta dal riscaldamento (fino a circa 2700 K) di un filamento di tungsteno attraverso cui passa la corrente elettrica. • genera al 90% calore e luce per il 10

17. Lampada alogena • La lampadina alogena è una particolare lampada ad incandescenza, ma ci sono alcune fondamentali caratteristiche che differenziano i due prodotti. • Al gas contenuto nel bulbo viene aggiunto iodio, kripton, e, a volte, xeno per permettere il riscaldamento del filamento fino a oltre 3000 K, in modo da aumentare l'efficienza luminosa e spostare verso l'alto la temperatura di colore, cioè la luce è più bianca. • “Temperatura di Colore” è un termine usato in illuminotecnica per quantificare la tonalità della luce.

18. Lampada a scarica • La lampada a scarica è un tipo di lampadina basata sull'emissione di radiazione elettromagnetica da parte di un plasma di gas ionizzato. La ionizzazione del gas è ottenuta per mezzo di una scarica elettrica (da cui il nome) attraverso il gas stesso. • È costituita da una ampolla o un tubo di vetro o quarzo contenente il gas e almeno due elettrodi tra cui avviene la scarica. • Il gas può anche essere il vapore di un elemento solido o liquido, per esempio mercurio o sodio.

19. Lampada fluorescente La lampada fluorescente è un particolare tipo di lampada a scarica in cui l'emissione luminosa visibile è indiretta, ovvero non è emessa direttamente dal gas ionizzato, ma da un materiale fluorescente (da cui il nome). Questo tipo di lampade sono erroneamente chiamate lampade al neon o tubi al neon, ma in realtà il funzionamento è dovuto alla presenza di vapori di mercurio e non al neon.

20. Spettri di emissione • Sono l'insieme delle radiazioni elettromagnetiche emesse da una sorgente luminosa • Gli spettri continuipresentano tutti i colori dal rosso al violetto sfumati l'uno nell'altro. Sono emessi dalle lampade ad incandescenza e da quelle alogene. • Gli spettri a righe presentano righe colorate su sfondo nero; sono emessi da sostanze gassose o rese gassose a bassa pressione, come nelle lampade a scarica. Ogni spettro è caratteristico di ogni sostanza.

21. L'insieme delle radiazioni comprese nel campo di lunghezze d'onda del visibile forma una luce bianca. Ogni sorgente primaria ha un proprio caratteristico spettro di emissione

22. Spettro continuo in luce trasmessa C M R S S = sorgente M = elemento disperdente C = campione R = rivelatore

23. Spettri di emissione Spettro continuo Spettro a righe

24. LED • LED è l'acronimo di Light Emitting Diode (diodo ad emissione luminosa) • È un dispositivo a stato solido che sfrutta le proprietà ottiche di alcuni materiali semiconduttori per produrre luce (fotoni) • Esistono di tutti i colori, anche IR e UV Spettro di un led bianco

25. Laser • Laser è l'acronimo inglese di Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation, ovvero Amplificazione di Luce tramite Emissione Stimolata di Radiazione. • Questa sigla indica un dispositivo in grado di emettere un fascio di luce coerente e, generalmente, monocromatica, e concentrata in un raggio rettilineo estremamente collimato.

26. Spettro di un Laser

27. Spettroscopio Gli spettri si osservano con uno spettroscopio. Per realizzare uno spettroscopio ottico, occorre montare opportunamente sul fascio di luce un elemento dispersore che devia con angoli differenti lunghezze d’onda differenti. Esistono due tipi di elementi dispersori: il prisma e il reticolo

28. Prisma • I prismi sono usati per dividere la luce nelle sue componenti spettrali. Questa dispersione avviene perché l'angolo di rifrazione dipende dall'indice di rifrazione che dipende dalla lunghezza d'onda. • La dispersione della luce nel vetro di un prisma è usata per costruire spettrometri

29. Reticolo di Diffrazione • Il Reticolo di Diffrazione svolge le medesime funzioni del prisma di vetro e consiste di una superficie metallica o di vetro su cui sono incise numerose fenditure molto ravvicinate. • Un buon reticolo ha potere di dispersione molto alto e permette quindi di cogliere meglio numerosi dettagli dello spettro in analisi. • Questo tipo di spettroscopio è particolarmente adatto per lo studio di radiazione nella regione ultravioletta e dei raggi X. Anche il reticolo, come il prisma, può essere inserito in uno spettroscopio.

30. Luce e materia La luce, come tutte le onde elettromagnetiche, interagisce con la materia. I fenomeni più comuni osservabili sono: • l'assorbimento • la trasmissione • la riflessione • la rifrazione

31. Luce e materia • Quando la luce interagisce con la materia scambia energia per pacchetti discreti detti fotoni. • L’energia di un fotone vale E = hν, dove h è la costante di Planck e v è la frequenza della radiazione • L’energia scambiata aumenta con la frequenza • h = 6.626 x10-34 Js

32. Spettrofotometria UV-vis-NIR La tecnica si basa sull’assorbimento di fotoni da parte delle molecole, le quali passano dallo stato energetico fondamentale ad uno stato eccitato.

33. Schema per l’osservazione di uno spettro di emissione La luce che attraversa il prisma è emessa dalla sorgente

34. Schema per l’osservazione di uno spettro di assorbimento La luce che attraversa il prisma è emessa da una sorgente bianca e attraversa la sostanza da analizzare

35. Spettro di assorbimento Lo spettrometro ad assorbimento permette di determinare la natura di una sostanza ignota, mediante l’analisi della luce che la attraversa. Scissa da un prisma (o da un altro elemento dispersivo) nei colori fondamentali che la compongono e opportunamente focalizzata da un sistema di lenti e fenditure. La luce che raggiunge lo schermo è composta dalle lunghezze d’onda che non sono state assorbite dal campione da analizzare

36. I0 I Segnale: trasmittanza (T%) = I/ I0 assorbanza (Abs) = log 1/T Riconoscimento dello ione Cr(III) in un vetro silice-soda-calce attraverso lo spettro di assorbimento: 450-655-684 nm

37. Spettral Scanner Lo Spettrometro Spectral Scanner permette di acquisire la composizione spettrale di ogni punto dell' oggetto scansionato: si ottiene dunque la distribuzione delle intensità delle diverse lunghezze d'onda per ogni punto campionato. Una volta messa a fuoco, l'immagine viene acquisita riga per riga, come in un normale scanner, attraverso una fenditura; l'ottica dello spettrometro separa la radiazione di ogni singolo punto della riga nelle sue componenti spettrali la cui intensità è rilevata da una camera costituita da una matrice bidimensionale di elementi fotosensibili.

38. Fibre Ottiche • Le fibre ottiche sono filamenti di materiali vetrosi o polimerici, realizzati in modo da poter condurre la luce. Sono normalmente disponibili sotto forma di cavi. • Sono flessibili, immuni ai disturbi elettrici ed alle condizioni atmosferiche più estreme, e poco sensibili a variazioni di temperatura. Hanno le dimensioni di un capello e pesano molto poco, una singola fibra pesa infatti circa 20 kg/km compresa la guaina che la ricopre. • Ogni singola fibra ottica è composta da due strati concentrici di materiale trasparente estremamente puro: un nucleo cilindrico centrale, o core, ed un mantello o cladding attorno ad esso. Il core presenta un diametro molto piccolo di circa 10 μm, mentre il cladding ha un diametro di circa 125 µm. I due strati sono realizzati con materiali con indice di rifrazione leggermente diverso, il cladding deve avere un indice di rifrazione minore (tipicamente vale 1.475) rispetto al core (vale circa 1.5). Come ulteriore caratteristica il mantello (Buffer) deve avere uno spessore maggiore della lunghezza di smorzamento dell'onda evanescente, caratteristica della luce trasmessa in modo da catturare la luce che non viene riflessa nel core. • All'esterno della fibra vi è una guaina protettiva polimerica detta jacket che serve a dare resistenza agli stress fisici e alla corrosione ed evitare il contatto fra la fibra e l'ambiente esterno.

39. Spettrofotometro portatile a fibra ottica Spettrofotometro UV-visibile-NIR di dimensione estremamente ridotte Range spettrale: 200-1100 nm Il segnale di emissione dalla lampada e quello riflesso dal campione sono trasportati da una fibra ottica

40. Spettri di pigmenti verdi e blu a) malachite; b) blu oltremare; c) atacamite

41. Pigmento rosso cinabro + ematite

42. Principio di Fermat Alla base dell’ottica geometrica si ha il Principio di Fermat: il percorso fra due punti preso da un raggio di luce è quello che è attraversato nel minor tempo Questo principio permette di spiegare i fenomeni della riflessione e della rifrazione e di costruire quindi modelli efficaci per le lenti e gli strumenti ottici.

43. Riflessione Riflessione speculare della luce su una superficie levigata Riflessione diffusa della luce su una superficie scabra La riflessione speculare della luce segue 2 regole fondamentali: 1 - Il raggio incidente ed il raggio riflesso giacciono sullo stesso piano 2 - L'angolo di incidenza e l'angolo riflesso sono equivalenti

44. Indice di rifrazione La velocità della luce dipende dal mezzo attraversato. Quando la luce passa attraverso una sostanza trasparente, come l'aria, l'acqua o il vetro, tuttavia, la sua velocità v viene ridotta e la luce è sottoposta a rifrazione. n è detto “indice di rifrazione”

45. Riflessione e Rifrazione L’angolo di riflessione è uguale e a quello incidente L’angolo di rifrazione dipende dall’angolo di incidenza e dal rapporto tra gli indici di rifrazione delle sostanze attraversate

46. Effetti della rifrazione La cannuccia sembra piegata, a causa della rifrazione della luce tra l'acqua e l'aria

47. Rifrazione di un prisma su luce composta da 2 colori

48. Lenti • Una lente è un elemento ottico che ha la proprietà di concentrare o divergere i raggi di luce. • Normalmente è realizzata in vetro o materiali plastici.

49. Formazione delle immagini Una lente positiva o convergente focalizza un fascio collimato parallelo all'asse in un punto focale, a distanza f dalla lente. se un oggetto è posto a distanza S1 sull'asse della lente positiva di focale f, su uno schermo posto a distanza S2 si formerà l'immagine dell'oggetto.

50. Strumenti Ottici Sistemi di lenti permettono di realizzare gli strumenti ottici più comuni come: - il telescopio - il microscopio - le fotocamere - ecc.