Òptica física

La llum és una ona electromagnètica en la qual vibren perpendicularment un camp elèctric i un de magnètic.

L'òptica física o òptica ondulatòria és una branca de l'òptica que s'ocupa de l'estudi de la llum considerada com a una ona. Es fonamenta en el principi de Huygens-Fresnel per ocupar-se de fenòmens com les interferències, la difracció o la polarització.

Les característiques intrínseques d’una ona són la freqüència $f$ (nombre d'oscil·lacions per segon), la longitud d’ona $\lambda$ (distància més propera que separa dos punts en el mateix estat d'oscil·lació) i l’amplitud $A$ (intensitat de l'oscil·lació). En la representació gràfica d’una ona hom anomena cresta el punt de màxima amplitud positiva, i vall el de màxima amplitud negativa. Els punts d’amplitud nul·la són els nodes.

L'explicació dels fenòmens de les interferències, difracció i polarització ha permès la construcció d'aparells, els interferòmetres, que permeten la mesura extremadament precisa de distàncies molt petites (per exemple els del projecte LIGO que han servit per a detectar ones gravitacionals); de la difracció de raigs X que ha servit per a mesurar la separació entre àtoms en un cristall o l'estructura d'una molècula, com quan s'emprà per descobrir l'estructura de l'ADN; o dels polarímetres emprats en l'anàlisi de substàncies òpticament actives.

Difracció de la llum segons el principi de Huygens. Els punts grocs indiquen els punts on s'originen les noves ones.

Principi de Huygens

El principi de Huygens rep el nom del físic neerlandès Christiaan Huygens, que l'enuncià el 1678 i diu:

Tot punt de l'espai on arriba una ona es converteix en un nou focus emissor d'ones secundàries, de manera que l'ona que va avançant és la resultant de la superposició de totes les ones secundàries produïdes pels punts que ja ha sobrepassat.

Principi de Huygens-Fresnel

Formació natural d'ones secundàries a la superfície de la mar en passar per un lloc estret..

El principi de Huygens-Fresnel permet explicar la propagació de les ones i els fenòmens de difracció de la llum, i representa una modificació del principi de Huygens. Fou enunciat pel físic francès Augustin-Jean Fresnel el 1816 i diu:

Les ones secundàries considerades pel principi de Huygens es propaguen en totes direccions però amb una amplitud $A$ que depèn de l'angle $\beta$ entre la direcció de propagació i la normal al front d'ona, de manera que $A$ és màxima quan $\beta =0$ i va disminuint fins a $\beta =\pi$, en què $A=0$.

Interferència

Article principal: Interferència

Dues ones són emeses pels focus vermells de l'esquerra. Avançant cap a la dreta interfereixen i damunt la pantalla de la dreta donen lloc a punts brillants (en vermell) i foscs (en negre), separats per la mateixa distància.

La interferència és un fenomen que s’esdevé quan en un lloc de l’espai se superposen diversos moviments ondulatoris.

Són importants les interferències entre ones acústiques i les interferències entre ones electromagnètiques, siguin radioelèctriques o lluminoses. Per tal que l’efecte de la interferència sigui palesat, cal que les ones lluminoses incidents siguin coherents, és a dir, les ones han de tenir una diferència de fase constant en el temps (la llum d'una font de llum ordinària, fins i tot si té una longitud d'ona ben definida, és incoherent); de la mateixa freqüència, o sigui, monocromàtiques; i que els vectors representants de llurs camps elèctrics siguin paral·lels; amb aquestes condicions hom observa zones fosques, on la intensitat lluminosa és molt baixa, i zones clares, on la intensitat és més o menys alta. Aquestes variacions d’intensitat són produïdes pel desfasament entre les ones que hi incideixen, i reben el nom de fenòmens d’interferència, i les zones d’igual intensitat són anomenades franges d’interferència. Un tipus d’interferència característic és la difracció.

A l'esquerra dues ones en fase donen una ona amb més amplitud representada a la part superior. A la dreta dues ones desfasades 180° o π rad s'anul·len i no queda cap mena de vibració (part superior).

Difracció

Article principal: Difracció

Difracció d'una ona plana en passar per una escletxa.

La difracció és un fenomen d’interferència múltiple produït pel caràcter ondulatori de la llum.

Descobert pel jesuïta bolonyès Francesco Maria Grimaldi (1665), era ja conegut de Newton i Huygens, els quals no li saberen donar la interpretació correcta. Consisteix, essencialment, en petites desviacions de la propagació rectilínia de la llum en incidir amb obstacles i orificis (xarxa de difracció), fet que produeix alternativament una sèrie d’ombres i de zones de llum, les quals depenen de les característiques geomètriques de l’orifici o obstacle i de la longitud d’ona de la llum.

L’explicació d’aquest fenomen es basa en el principi de Huygens-Fresnel. Una conseqüència important de la difracció és que limita el poder de resolució dels instruments òptics, puix que, com que no es poden delimitar feixos de llum gaire prims, es pot produir superposició entre les zones de llum procedents de dos punts distints, i això impedeix de veure'ls separadament. Els fenòmens de difracció es produeixen, no tan sols per la llum, sinó en qualsevol classe d’ones, sempre que aquestes trobin obstacles de dimensions comparables a la de la longitud d’ona. Així, per exemple, hi ha la difracció dels raigs X i dels electrons i d’altres partícules elementals produïda per les xarxes cristal·lines.

Rotació del pla de polarització d'una ona en travessar un material. El pla de vibració és vertical a l'entrada de l'ona i horitzontal a la sortida. I viceversa el pla de polarització.

Polarització

Article principal: Polarització

En una radiació electromagnètica, la polarització és un fenomen que consisteix a conferir una direcció ben definida al camp elèctric ${\vec {E}}$ que caracteritza les ones que formen la radiació.

Convencionalment, hom anomena pla de vibració el que conté ${\vec {E}}$ i la direcció de propagació, i pla de polarització el que conté la direcció de propagació i és perpendicular al pla de vibració.

Christiaan Huygens.

Cap al 1690, Huygens s’adonà que, després de travessar un cristall d’espat d’Islàndia, la llum presentava unes característiques diferents de les inicials, però no sabé trobar-hi cap explicació, i fou el físic francès Étienne-Louis Malus, el 1808, que, en descobrir que la llum reflectida per un mirall sota un angle ben determinat (angle de polarització) presentava les mateixes propietats que les observades per Huygens amb l’espat d’Islàndia, tractà d’interpretar el fenomen a partir de la teoria corpuscular de la llum. Ultra per reflexió (llei de Brewster), la polarització de la llum pot ser obtinguda per refracció (descoberta per Francesc Aragó), per doble refracció (birefringència) i per absorció selectiva (dicroisme, turmalina).

L’aparell emprat per a produir i estudiar la polarització de la llum és anomenat polarímetre. Quan hom superposa dues ones que tenen la mateixa freqüència i la mateixa direcció de propagació, polaritzades segons plans diferents i amb camps elèctrics desfasats un angle δ, hom obté una ona amb polarització el·líptica. Si els dos camps elèctrics tenen la mateixa amplitud, però estan desfasats un angle δ qualsevol, la polarització és una polarització circular. Si per a uns valors qualssevol dels camps elèctrics el desfasament δ és 0 o múltiple enter de π, la polarització és una polarització rectilínia (prisma de Nicol).

Augustin Jean Fresnel.

Història

Christiaan Huygens (1629–1695) va proposar una teoria ondulatòria de la llum en forma matemàtica al seu Traité de la Lumière (Tractat de la llum), publicat el 1690. Però Isaac Newton (1642–1727) va publicar el 1704 Opticks, on formulava la seva teoria corpuscular de la llum. El prestigi d'aquest darrer autor feu que la teoria corpuscular es mantingués viva fins a finals del segle xix malgrat les seves creixents dificultats per a explicar les observacions.

En seria un exemple el dels "anells de Newton", explicats per Robert Hooke (1635-1703) utilitzant la teoria ondulatòria; tanmateix, va prevaldre la posterior de Newton, adaptada a la seva teoria corpuscular. Fins i tot un fenomen, estudiat sistemàticament per Hooke, és conegut amb el nom impropi de Newton, anells de Newton. La interpretació correcta d'aquest fenomen arribaria el 1802 gràcies a Thomas Young (1773-1829). Young és més rellevant perquè va demostrar, amb el seu famós experiment de la doble escletxa publicat el 1807, que, tal com predeia la teoria ondulatòria, les ones de la llum s'interferien.

Tanmateix, seria Augustin Jean Fresnel (1788-1827) qui acabaria per establir definitivament la natura ondulatòria de la llum, el 1818 es va presentar a un concurs de l'Acadèmia Francesa de les Ciències l'article Mémoire sur la diffraction de la lumière on donava una explicació del fenomen de la difracció basada en la teoria ondulatòria. Un dels membres del jurat, Siméon D. Poisson (1781-1840), partidari de les idees newtonianes, va pensar que hi havia trobat un problema atès que, en cas de ser correcta la teoria de Fresnel, hi hauria d'aparèixer un punt brillant al centre de l'ombra circular d'un objecte rodó. Però el president del jurat, Francesc Aragó (1786-1853), va fer un experiment on es va poder observar el punt brillant, avui dia conegut com a punt d'Aragó.

• 
  Anells de Newton. Anells concèntrics iridescents que hom observa entorn del punt de contacte d’una lent planoconvexa de gran radi amb una superfície de vidre perfectament plana.
• 
  Punt brillant al centre de la fotografia produït darrere un obstacle circular. Segons l'òptica geomètrica no hauria d'existir.
• 
  Difracció produïda pels solcs d'un CD que actuen com una reixa de difracció.
• 
  Fotografia de la difracció de raigs X produïda per una molècula d'ADN que permeté esbrinar la seva estructura.

Vegeu també

• Òptica
• Òptica geomètrica
• Òptica quàntica
• Electromagnetisme
• Interferència
• Difracció
• Polarització
• Xarxa de difracció
• Experiment de la doble escletxa
• Òptica de Fourier

Bibliografia

• Giusfredi, Giovanni. Physical Optics Concepts, Optical Elements, And Techniques (en anglès). Springer, 2019. ISBN 978-3-030-25278-6. 
• Lipson, Ariel; Lipson, Stephen; Lipson, Henry. Optical Physics (en anglès). 4a. Cambridge University Press,, 2010. ISBN 9780521493451.