La luce: Cenni storici Fondamenti di Radiometria e Fotometria

1. La luce: Cenni storici Fondamenti di Radiometria e Fotometria

2. La luce: cosa è? • Newton (1700): teoria corpuscolare • La luce è composta da miriadi di particelle microscopiche • Huygens(1700): teoria ondulatoria • La luce è un’onda che si propaga nell’etere, ovvero una vibrazione come il suono nell’aria • Esperimenti di Thomas Young (inizio 1800) • Sembrarono confermare che la luce è un’onda • Esperimenti di Michelson e Morley (1887) • Evidenziarono che l’etere non esiste e che la luce ha una velocità costante rispetto al moto della terra da qualsiasi direzione provenga. Quindi non può essere una vibrazione dell’etere

3. La luce: ipotesi ondulatoria • Un’onda può essere descritta tramite: • Ampiezza A: la differenza di livello tra picchi e valli • Lunghezza d’onda : la distanza tra due picchi successivi • Velocità v: se si muove rispetto ad un sistema di riferimento (non è stazionaria) • Frequenza f: con f =v/

4. La luce: ipotesi ondulatoria • Faraday (1850) • Ipotizzò che la luce fosse un’onda elettromagnetica • Maxwell (1864) • Descrisse il comportamento delle onde elettromagnetiche

5. La luce: polarizzazione • Lungo la direzione di propagazione può avvenire che l’onda ruoti o compia altri movimenti sul suo asse

6. La luce: spettro • Una radiazione composta da una sola onda di ampiezza e frequenza fisse è detta monocromatica • Come le onde del mare anche la luce non è composta da una sola onda ma dalla somma di onde di ampiezze e frequenze differenti (somma di onde monocromatiche) • Lo spettro descrive le ampiezze delle onde monocromatiche di differenti frequenze che compongono una radiazione

7. La luce: rappresentazione dello spettro

8. Lo spettro della radiazione em L’intervallo della luce visibile è: 380 – 780 nm

9. La luce • Vari esperimenti (Kirchoff, Rayleigh, Wien, Planck e poi Einstein) nella seconda metà del 1800 e all’inizio del 1900 mostrarono che considerare la luce come onda e.m. non spiegava alcuni fenomeni • In alcuni casi la luce presenta un comportamento corpuscolare • Heisenberg e Schroedinger (1920) posero le basi della fisica quantistica. I fotoni come quanti di luce.

10. La luce e la materia: radiometria • Ai fini dello studio della interazione con la materia si considera la luce come una radiazione elettro magnetica (e.m) • Lo studio delle radiazioni e.m. è oggetto della radiometria • La radiometria studia il trasferimento di energia radiante tramite un insieme di grandezze fisiche scalari (ovvero non vettoriali) • Queste grandezze sono funzioni della lunghezza d’onda (grandezze spettrali)

11. La velocità della luce • Nel vuoto la velocità della luce è costante in tutti i sistemi di riferimento • Si indica con c e vale 299.792.458 m/s (circa 300.000 km/s) • Negli altri mezzi la velocità è inferiore e decresce al crescere dell’indice di rifrazione • L’indice di rifrazione di un mezzo è definito come rapporto tra velocità nel vuoto e velocità nel mezzo: n = c/v

12. 1 - denso n1 < n2 + denso n1 n2 2 La luce: la rifrazione • La luce che colpisce un materiale può essere: • Assorbita (trasformata in un’altra forma di energia: calore….) • Riflessa (diffusamente e/o specularmente) • Trasmessa (diffusamente e/o specularmente) • Trasmissione speculare: Rifrazione, governata dalla legge di Snell:

13. La luce: la dispersione • L’indice di rifrazione di un materiale non è una costante, ma è funzione della lunghezza d’onda n() • Onde di lunghezza differente hanno un angolo di rifrazione diverso nello stesso mezzo: arcobaleno!

14. Misurare la luce: l’angolo solido di proiezione • L’angolo solido è una regione conica di spazio definito dal rapporto tra l’area della superficie racchiusa sulla sfera ed il raggio2 della stessa • Si misura in steradianti[sr]

15. Misurare la luce: grandezze radiometriche • Energia radiante: Qe() [Joule] • Flusso radiante: [Watt] • È una misura della variazione di energia nel tempo • Ad esempio può indicare quanta energia esce da una sorgente nell’unità di tempo

16. Misurare la luce: grandezze radiometriche • Intensità radiante: [Watt/sr] • Descrive il flusso rispetto ad una direzione • È utilizzata per descrivere la forma della energia che esce da una sorgente

17. Misurare la luce: grandezze radiometriche • Irradianza EeUscita radiante Me[Watt/m2] • Descrive il flusso che arriva (E) o esce (M) da un’area • È utilizzata per descrivere l’energia che arriva (o lascia) una superficie

18. Misurare la luce: grandezze radiometriche • Radianza: [Watt/sr m2] • dA area della sorgente emittente • cosӨ dipende dall’angolo che la sorgente ha rispetto al ricettore • d dipende dalla dimensione del ricettore

19. Misurare la luce: fotometria • Una radiazione e.m. come viene percepita da un osservatore umano? • La valutazione visiva di uno stimolo radiometrico è oggetto della fotometria. • La funzione di efficacia luminosa spettrale K() valuta la sensibilità alle radiazioni e.m. dell’osservatore umano medio • K() è stata misurata sperimentalmente su un campione di soggetti umani e ottenuta come media dei valori rilevati

20. Misurare la luce: fotometria • Efficacia luminosa spettrale K() : • max sensibilità: GIALLO • min sensibilità: BLUROSSO

21. Misurare la luce: fotometria • Ad ogni grandezza radiometrica corrisponde una grandezza fotometrica pesata dalla (ovvero moltiplicata per) efficacia luminosa spettrale K() • Essendo K() uguale a zero al di fuori dell’intervallo delle lunghezze d’onda visibili (380÷780 nm) ne consegue che anche le grandezze fotometriche sono definite solo tra 380 e 780 nm • Per convenzione si usa il pedice v (visivo) invece del pedice e (energetico) della radiometria

22. Misurare la luce: fotometria • Ad esempio il flusso luminoso è dato da: [lm] • E le altre: • Energia radiante – Energia luminosa Qv [T (talbot)] • Intensità radiante – Intensità luminosa Iv [cd] • Irradianza – Illuminamento Ev [lux] • Uscita radiante – Uscita luminosa Mv [lux] • Radianza – Luminanza Lv [lux/sr] [cd/m2]

23. Misurare la luce: valori totali • Le grandezze spettrali viste sono funzioni della lunghezza d’onda • Sovente nelle misure e applicazioni industriali si usano piuttosto i valori totali in cui si considera la quantità di energia a prescindere dalla composizione spettrale e quindi dalla lunghezza ‘onda • Radianza totale Luminanza (totale)

24. Misurare la luce: valori totali • Significato grafico del valore totale: Le() Le

25. Misurare la luce: strumenti di misura Luxmetro: misura l’illuminamento Fotometro: misura l’intensità luminosa Sfera di Ulbricht: misura il flusso luminoso Luminanzometro: misura la luminanza

26. Misurare la luce: strumenti di misura Colorimetro