Ottica fisica

Ammettendo che le radiazioni luminose abbiano carattere ondulatorio, deve essere possibile interpretare i fenomeni dell'ottica geometrica, fondata sulla propagazione rettilinea della luce, come la riflessione e la rifrazione, in un'ipotesi ondulatoria, nonché dare spiegazione su fenomeni non interpretabili con l'ottica geometrica, quali l'interferenza, la diffrazione e la polarizzazione della luce.

 

Riflessione, rifrazione, diffrazione e interferenza di onde, e quindi anche luminose, le abbiamo trattate in questa pagina. Riprendiamo le ultime due.
La polarizzazione è stata proposta nella pagina delle proprietà ottiche dei minerali, a cui si rimanda.

 

Diffrazione

Le onde luminose, come le altre viste in precedenza, subiscono il fenomeno della diffrazione, cioè un'onda si propaga anche in direzioni diverse da quelle previste dall'ottica geometrica.
Tra i modi di propagazione della luce, quindi, esiste la propagazione per diffrazione, oltre che per via diretta, per riflessione e per rifrazione.

 

Una sorgente puntiforme S emette una radiazione luminosa che si propaga in linea retta.

 

diffrazione di un fascio luminoso

 

Se viene intercettata da uno schermo opaco (1) con un foro circolare, da questo prosegue formando un cerchio luminoso con contorni netti su uno schermo (A), posto oltre il primo.
Restringendo il foro dello schermo (2), sull'altro schermo abbiamo ancora un cerchio luminoso a contorni netti, ma più piccolo.
Se si restringe ulteriormente il foro nello schermo (3), ci si aspetterebbe di avere un fascio di luce ancora più piccolo e invece si ha un allargamento della luminosità sullo schermo (A), in contrasto con la propagazione rettilinea della luce: oltre uno schermo opaco, con un foro dello stesso ordine di grandezza della lunghezza d'onda della luce, questa viene diffratta, cioè si formano onde sferiche come se al posto del foro ci fosse una sorgente luminosa.

 

diffrazione attraverso un foro

 

Interferenza

Come visto in precedenza, per osservare l'interferenza delle radiazioni luminose, occorrono due sorgenti luminose monocromatiche della stessa intensità, frequenza e lunghezza d'onda, capaci di emettere onde in concordanza di fase, cioè sorgenti coerenti.
Due sorgenti luminose, però, sono sempre incoerenti perché emesse indipendentemente e per treni d'onda, non in modo continuo, quindi per avere interferenza luminosa occorre sdoppiare il raggio mediante specchi o fenditure.

 

sdoppiamento di un fascio luminoso

 

Nel 1801 il fisico inglese Thomas Young (1773 - 1829) riuscì a osservare fenomeni di interferenza luminosa, spiegabili solo considerando la natura ondulatoria della luce.

 

interferenza di Young

 

Una sorgente monocromatica (A) emette onde luminose piane (le onde di una sorgente posta a distanza infinitamente grande, come il Sole, possono considerarsi piane) che incidono su uno schermo opaco (1) con un piccolo foro.
Il forellino, attraversato dalle onde piane, diventa sorgente (S0) di onde sferiche diffratte (principio di Huigens-Fresnel) che incidono su un altro schermo opaco (2), avente due fenditure parallele, poste alla stessa distanza da S0. Al posto dei due forellini si usano due fenditure, cioè due insiemi di infinite sorgenti puntiformi disposte lungo due segmenti a formare delle sorgenti lineari, invece di puntiformi, per aumentare l'intensità luminosa.
Le fenditure, a loro volta, diventano sorgenti identiche (S1 e S2) di onde che interferiscono tra loro. Se avessimo messo due sorgenti in (S1 e S2) l'identità delle luci non sarebbe stata assoluta.
Quando giungono a uno schermo rilevatore (3) - bianco nell'esperimento di Young -, si osserva una serie di bande chiare e scure alternate (B), parallele alle fenditure, le frange o figure d'interferenza. Dove si hanno le bande chiare, c'è interferenza costruttiva (due creste o due cavi), mentre a quelle scure corrisponde un'interferenza distruttiva (una cresta e un cavo).

 

Cambiando colore della sorgente luminosa si osserva una differenza tra la distanza tra i due punti centrali di due bande luminose consecutive: con luce violetta la distanza è inferiore rispetto a quelle prodotte dalla luce rossa. Questo significa che la lunghezza d'onda aumenta passando dal violetto al rosso.

 

frange di interferenza viola e rosso

 

I colori della luce

La luce consiste in radiazioni luminose di varia frequenza che, raccolte dalla retina dell'occhio, vengono interpretate dal cervello come “colori”.

 

La luce del Sole, quella che l'uomo percepisce come luce bianca, è la porzione dello spettro elettromagnetico di frequenza compresa tra 3,75 ∙1014 Hz e 7,5 ∙1014 Hz e λ tra 7,8 ∙10-7 m e 4 ∙10-7 m; esse danno la sensazione di colore rosso per le frequenze più basse e violetto per quelle più alte.

 

In passato si riteneva che la luce del Sole fosse “luce pura” e che i colori dipendessero da impurità presenti in questa luce pura.
In realtà la luce bianca solare è policroma, cioè costituita da vari tipi di onde di frequenza diversa: in questo caso il colore dipende dai rapporti tra le intensità delle singole radiazioni componenti.

 

Colori puri o spettrali

I colori puri sono quelli la cui sensazione visiva non deriva da una miscela di lunghezze d'onda diverse, mentre “spettrale” fa riferimento allo spettro ottenuto dalla scomposizione della luce solare.

 

Le prime esperienze di scomposizione della luce con un prisma sono state fatte da Newton nel 1672.
Queste hanno portato a suddividere il campo di esistenza delle onde luminose in 7 intervalli, ciascuno corrispondente a quelli che sono tradizionalmente indicati come colori fondamentali: rosso arancione, giallo, verde, blu, indaco, violetto.
Occorre precisare che non c'è una corrispondenza tra una data frequenza e una determinata sensazione di colore, ma sono stati individuati degli intervalli di frequenza corrispondenti a ciascuno dei colori fondamentali, come da tabella.

 

COLORE λ (nm) f (THz)
Rosso 610 - 780 375 - 491
Arancione 590 - 610 491 - 517
Giallo 570 - 590 517 - 535
Verde 500 - 570 535 - 600
Blu 440 - 500 600 - 682
Indaco 420 - 440 682 - 714
Violetto 400 - 420 714 - 750

 

La Commissione internazionale dell'Illuminazione raccomanda di suddividere lo spettro visibile in sei zone, eliminando l'indaco.

 

Suddividendo lo spettro in 3 bande, invece, abbiamo i colori primari: rosso, verde e blu (RGB).

 

Il sistema RGB è impiegato in tutti i dispositivi digitali.

 

Miscelando i colori in diverse proporzioni si possono ottenere altri colori. Infatti, noi riusciamo a vedere molti più colori di quelli presenti nello spettro mescolando diverse radiazioni monocromatiche mediante sintesi additiva o sottrattiva.

 

Sintesi additiva

Si parla di sintesi additiva quando si mescolano i colori primari provenienti da sorgenti luminose.

 

Miscelando i colori primari a due a due si ottengono i colori secondari (figura sotto):

rosso + blu = magenta
verde + blu = ciano
rosso + verde = giallo

 

La miscela dei 3 colori primari produce la sensazione di colore bianco:

blu + rosso + verde = bianco

 

sintesi additiva

 

Sempre osservando la figura sopra, abbinando i colori secondari a due a due, otteniamo i colori primari:

magenta + ciano = blu
giallo + ciano = verde
giallo + magenta = rosso

 

Si dicono complementari due colori dalla combinazione dei quali si ottiene la luce bianca.
I colori complementari sono:

blugiallo
verdemagenta
rossociano

 

COLORI SECONDARI COLORI COMPLEMENTARI ADDITIVI
rosso + blu blu + giallo
verde + blu verde + magenta
verde + rosso rosso + ciano

 

Con le sintesi additive si può ottenere qualunque gradazione di colore nella gamma dello spettro.

 

Sintesi sottrattiva

Si ha sintesi sottrattiva quando si mescolano i colori primari provenienti da pigmenti.

 

Quando un fascio di luce bianca colpisce un oggetto o un pigmento, parte della radiazione viene assorbita e parte riflessa o diffusa.

Nell'esempio della figura, tutti i colori dello spettro sono assorbiti tranne il rosso, per cui percepiamo il pigmento come colore rosso.

 

oggetto rosso per assorbimento delle altre radiazioni

 

I colori secondari della sintesi additiva diventano colori primari in quella sottrattiva, perciò abbiamo: ciano, magenta e giallo (CMY).

 

sintesi sottrattiva

 

Il sistema CMY è impiegato nella stampa, al quale si aggiunge il nero K perché quello ottenuto per sintesi sottrattiva con i pigmenti non è mai puro. Si ha allora il sistema CMYK.

Ad esempio, una stampante a colori a getto d'inchiostro ha quattro cartucce: ciano magenta, giallo e nero. Quando si stampa una foto a colori, ciascuna cartuccia aggiunge una percentuale di inchiostro in modo di comporre l'immagine con molti più colori rispetto ai 4 forniti dalle cartucce.

 

passaggi per stampare una foo a colori

(Crediti: Magica - CC BY-SA 3.0)

 

Quello che avviene nella stampa è la stesura dell'inchiostro in modo che ciascun colore sottragga alla luce bianca un colore primario della sintesi additiva, comportandosi come se fosse un filtro, e rifletta o trasmetta gli altri due. Il colore finale che percepiamo è dato dai due colori trasmessi.

 

La luce bianca colpisce il pigmento della stampante. Ricordiamo che la luce bianca è composta dalle 3 bande: rosso, verde, blu. Se l'inchiostro sottrae il colore primario additivo rosso, riflette il blu e il verde, perciò, per sintesi additiva percepiamo il ciano (si veda il paragrafo precedente).

 

ciano

 

Se il pigmento sottrae il colore primario additivo verde, sono riflessi il blu e il rosso e percepiamo il magenta.

 

magenta

 

Sottraendo infine il colore primario additivo blu, si riflettono il verde e il rosso e percepiamo il colore giallo.

 

giallo

 

Mescolando i colori primari sottrattivi a due a due, o meglio, sovrapponendo due colori dell'inchiostro, otteniamo i colori secondari:

ciano + magenta = blu
ciano + giallo = verde
magenta + giallo = rosso

 

Per esempio, sovrapponendo il ciano e il magenta, otteniamo il blu perché il ciano blocca il rosso, il magenta blocca il verde e quindi riesce a essere riflessa solo la radiazione che percepiamo come blu.

Per ottenere il verde delle foglie, si sovrappone uno strato di inchiostro ciano, che assorbe il rosso e uno di inchiostro giallo, che assorbe il blu, perciò viene riflessa solo la radiazione che percepiamo come verde.

Sovrapponendo il magenta, che blocca il verde, e il giallo, che blocca il blu, si riflette solo il rosso che vediamo nel papavero.

 

blu verde rosso

 

Dove nella stampa si depositano tutti e tre colori primari sottrattivi, vengono assorbite le tre bande del rosso, del verde e del blu, perciò non è riflesso alcun colore:

ciano + magenta + giallo = nero

 

nero

 

nero


Abbiamo detto, però, che per migliorare l'immagine si aggiunge l'inchiostro nero.

 

Otteniamo il nero anche mescolando due colori complementari sottrattivi.

 

rosso + verde rosso + blu verde + blu

 

Per ottenere un maggior numero di colori - nella foto c'è anche l'arancione, il marrone ecc. - in una gamma detta gamut (si veda nel grafico sotto la zona con il contorno verde), si diluiscono gli inchiostri nella percentuale desiderata in modo che una banda non sia completamente bloccata. Per esempio, un pigmento giallo diluito lascia passare un po' di blu; il magenta diluito lascia filtrare una parte di verde; il ciano diluito non blocca completamente il rosso.

gamut

(Crediti: Magica - CC BY-SA 3.0)

 

Per esempio, per ottenere l'arancione dei fiori usiamo il ciano molto diluito (10%) - per ottenere il rosso abbiamo visto che il ciano non è presente -, 50% magenta e 90% giallo.

 

Le stampanti a getto d'inchiostro, però, hanno gli inchiostri a densità fissa, perciò per ottenere i colori intermedi si ricorre a retini con cerchietti della stessa dimensione o della stessa distanza (figura sotto fortemente ingrandita). Dove i cerchietti non si sovrappongono, si ha la sintesi additiva, perciò si riduce il gamut all'area triangolare tratteggiata del grafico sopra.

 

retino di stampa

(Crediti: Magica - CC BY-SA 3.0)

 

Con i pigmenti per la pittura abbiamo a disposizione una maggiore gamma cromatica, ma tradizionalmente sono considerati pigmenti primari i colori: rosso, giallo e blu, perché non è possibile ottenerli mescolando altri colori.

 

Miscelando a due a due, in percentuali uguali, i pigmenti primari otteniamo i pigmenti secondari:

rosso + giallo = arancione
giallo + blu = verde
rosso + blu = viola

 

arancio verde viola

 

Ad esempio, un pigmento giallo che assorbe tutte le radiazioni tranne il giallo e il verde, mescolato con un pigmento blu che assorbe tutte le radiazioni tranne il blu e il verde, dà come risultato un pigmento che appare verde, perché è l'unica radiazione non assorbita. Se il giallo riflettesse solo le onde del giallo e il blu solo quelle del blu, non sarebbe riflessa alcuna radiazione e il colore apparirebbe nero. Per questo motivo i coloranti sottrattivi non devono essere monocromatici, altrimenti tutte le lunghezze d'onda verrebbero bloccate.

 

I colori complementari sottrattivi si ricaviamo dalla sottostante ruota dei colori: sono complementari sottrattivi i due colori diametralmente opposti della ruota; ad esempio, il rosso è complementare del verde, il blu dell'arancione e il giallo del viola.
Se si mescolano insieme danno un colore grigio, uguale per ciascuna coppia.

 

ruota dei colori complementari sottrattivi