Obiettivi formativi
Fornire una descrizione dei meccanismi microscopici che determinano le proprietà ottiche della materia, avendo come punto di partenza il colore.
Prerequisiti
<p>Nozioni acquisite nell'ambito di corsi di matematica, fisica classica ed elementi di meccanica quantistica</p>
Contenuti dell'insegnamento
1) Il concetto di colore. <br />
a) Ruolo della sorgente luminosa. L’occhio: visione fotopica e scotopica. Visione al buio: intensificatori di luce, visori per i.r. <br />
b) I fenomeni dell’ottica geometrica come responsabili del colore. <br />
La riflessione: riflettanza speculare e diffusa. Meccanismi responsabili del colore nei metalli. Perdite per riflessione. Film antiriflesso. Applicazioni, telerilevamento. <br />
La rifrazione e la riflessione totale interna. Applicazioni. Fibre ottiche. <br />
c) I fenomeni dell’ottica fisica come responsabili del colore. <br />
La diffusione. Dal colore del cielo agli aerogel per applicazioni spaziali, alle nanoparticelle metalliche in vetri antichi. Plasmoni di superficie. Guide di luce. Vetri focromici e fotosensibili. L’interferenza: esempi e applicazioni di film sottili. La diffrazione. Cristalli liquidi. Dalle opali ai cristalli fotonici. Applicazioni. Reticoli e cristalli fotonici in natura. La polarizzazione. Pleocroismo: cordierite. Birifrangenza indotta per analisi di deformazioni in manufatti. <br />
d) Meccanismi microscopici responsabili del colore. <br />
Assorbimenti vibrazionali (es. acqua e ghiaccio). Transizioni fra orbitali molecolari: composti organici (clorofilla, emoglobina, opsina, coloranti naturali e artificiali). Assorbimenti di campo cristallino e di trasferimento di carica: (Cr3+ in rubino e smeraldo, Co2+ e Ti3+ in differenti coordinazioni). Centri di colore in cristalli ionici e minerali, solarizzazione di fibre ottiche. Transizioni banda-banda in semiconduttori e isolanti. Livelli localizzati. Luminescenza: fotoluminescenza da impurezze e nanocristalli. Catodoluminescenza. Chemiluminescenza. Termoluminescenza. Elettroluminescenza. Applicazioni. Esercitazione. <br />
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2) Propagazione di onde elettromagnetiche in un mezzo. Indice di rifrazione complesso. Assorbimento di energia. Coefficiente di assorbimento. Coefficiente di riflessione a incidenza normale. Perdite per riflessione. Proprietà ottiche dovute a portatori liberi. Richiami sul modello dell'elettrone libero nei metalli. Conducibilità elettrica in funzione della frequenza. Frequenza di plasma. Trasparenza dei metalli nell'u.v. Oscillazioni di plasma. Relazione di Hagen-Rubens. <br />
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3) Costanti ottiche dei metalli (n, κ, η, μ, R) dovute a portatori liberi: applicazione all'Au. Effetto pelle normale e anomalo. Verifica sperimentale. Proprietà ottiche dei semiconduttori dovute a portatori liberi. Risonanze di plasma. Confronto con i risultati sperimentali in GaAs. <br />
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4) Relazione fra funzione dielettrica e costanti ottiche. Funzione dielettrica e costanti ottiche ricavate da misure di riflettività attraverso le relazioni di Kramers-Kronig. Polarizzabilità e funzione dielettrica: trattazione quantistica. Funzione di dispersione. Forza dell'oscillatore per una transizione. Regola di somma. Determinazione della funzione dielettrica in presenza di smorzamento. Ruolo del campo interno. Meccanismi di risonanza e di rilassamento: esempi. Vibrazioni reticolari e funzione dielettrica. Relazione di Lyddane-Sachs-Teller. Costanti ottiche di CdS. <br />
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5) Misura di spettri di assorbimento ottico. Trasparenza e densità ottica. Spettrofotometri. Schema di funzionamento. Elementi dispersivi. Sorgenti. Rivelatori. Influenza dell'atmosfera presente nello spettrofotometro. Esercitazione pratica con spettrofotometro dispersivo u.v., vis., n.i.r. Spettri di assorbimento indotti da Eu2+ ed Eu3+ in cristalli ionici. Risoluzione di linee spettrali. Spettrofotometri a trasformata di Fourier. Vantaggi di Jacquinot e di Felgett. Risoluzione. Apodizzazione. Esercitazione: spettri ad alta risoluzione di CO2 e H2O nell'aria. Analisi di gas di scarico di auto con e senza marmitta catalitica. Assorbimenti vibrazionali intrinseci di GaAs, di campo cristallino (Fe2+ in InP ed Er3+ e Ho3+ in matrici cristalline per laser, struttura iperfine) e vibrazionali localizzati (H in InP e OH e relative sostituzioni isotopiche in matrici cristalline e vetrose). <br />
Bibliografia
<p>R. Capelletti: appunti del corso</p>
<p>R. Capelletti: presentazione in Power Point delle lezioni</p>
Metodi didattici
Lezioni orali e dimostrazioni in laboratorio. La valutazione viene fatta sulla base di una relazione scritta su argomento scelto dallo studente e concordato con il docente e da una presentazione orale successiva.
