Course Syllabus
Obiettivi
Descrivere i diversi processi attraverso cui la luce interagisce con atomi molecole e materiali massivi. Partendo dai fenomeni che possono essere descritti semplicemente sulla base delle equazioni di Maxwell, si passerà poi all'illustrazione di quelli che richiedono un approccio più sofisticato fino ad arrivare alla fotofisica della visione.
Contenuti sintetici
1. DUALITÁ ONDA-CORPUSCOLO (cenni) e RAPPRESENTAZIONE MATEMATICA DELLE ONDE: Rappresentazione reale e rappresentazione complessa delle onde; Fase e velocità di fase di un’onda; Onde scalari e vettoriali; Onde piane polarizzate.
2. ONDE ELETTROMAGNETICHE: Equazioni di Maxwell (ripasso); Equazione delle onde: propagazione delle onde elettromagnetiche nel vuoto e nei materiali; Indice di rifrazione complesso e funzione dielettrica complessa; Dispersione e attenuazione delle onde elettromagnetiche nei materiali; Modelli di Lorentz e di Drude.
3. TRASMISSIONE E RIFLESSIONE: Trasmissione delle onde elettromagnetiche; Coefficiente di assorbimento e legge di Lambert-Beer; Riflettività di un’interfaccia ad incidenza normale; Spettri di trasmittanza, assorbanza e riflettanza ad incidenza normale; Rifrazione e riflessione della luce linearmente polarizzata ad incidenza obliqua; Equazioni di Fresnel; Legge di Brewster e polarizzazione della luce per riflessione; Colore prodotto per rifrazione.
4. ANISOTROPIA OTTICA: Definizione di reticolo di Bravais (cenni); Tensore dielettrico dei mezzi anisotropi; Propagazione delle onde elettromagnetiche nei mezzi anisotropi; Birifrangenza; Lamine di ritardo; Polarizzatori dicroici.
5. INTERFERENZA E DIFFRAZIONE. Diffrazione di Fraunhofer e risoluzione limite. Pura interferenza (film sottili). Reticoli di diffrazione.
6. DIFFUSIONE DELLA LUCE: Scattering di Rayleigh; Scattering Raman; Scattaring di Mie; Colore prodotto per diffusione.
7. INTERAZIONE LUCE-ATOMI E LUCE-MOLECOLE: Introduzione alla spettroscopia ottica; Regole di Hund; Transizioni atomiche e regole di selezione; Luce prodotta per eccitazione di gas (confronto con luce prodotta per emissione di corpo nero); Cenni di fisica dei Laser; Transizioni molecolari; Colore delle molecole organiche; Oltre il singolo atomo/molecola: il colore di metalli, isolanti e semiconduttori.
8. LA VISIONE: Fotofisica del processo della visione; Visione fotopica e scotopica; Colorimetria: misura e produzione dei colori.
Programma esteso
1) Dualismo onda corpuscolo. (Appunti prof.ssa Tavazzi)
2) Rappresentazione matematica delle onde. (Appunti prof.ssa Tavazzi)
3) Equazioni di Maxwell: significato e soluzioni. (Appunti prof.ssa Tavazzi + per convenzioni + libro fisica 2 e/o per procedimento risolutivo).
4) Legge di Lambert-Beer. (Appunti prof.ssa Tavazzi)
5) Riflettività ad incidenza normale. (Appunti prof.ssa Tavazzi + libro fisica 2 per condizioni al contorno)
6) Riflettanza e trasmittanza (cenni). (Appunti prof.ssa Tavazzi)
7) Riflettività ad incidenza obliqua. (Appunti prof.ssa Tavazzi + libro fisica 2 per condizioni al contorno)
8) Mezzi anisotropi. (Appunti prof.ssa Tavazzi)
9) Modelli di Lorentz e di Drude. (https://drive.google.com/file/d/13Ga3wLbqDT5dhN4H_WAm8bOYA9fkpuRE/view?usp=sharing )
10) Fotometria. (http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/vision/lumpow.html#c1, http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/vision/radphocon.html#c1, http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/vision/photom.html#c1, http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/vision/bright.html#c2)
11) Colorimetria. (Si trova sia sul Sears che sul Nassau. Forse è più semplice studiarla sul primo + https://drive.google.com/file/d/13mThvSgj6abmdVZfKopCMZ23_YcoP_ZL/view?usp=sharing)
12) Colore per rifrazione/dispersione. (Nassau cap. 10 fino a pag 226, ma non l’appendice F. Volendo anche http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/atmos/rainbowcon.html#c1)
13) Colore per interferenza e diffrazione. (Sears per la teoria di base + https://drive.google.com/file/d/1BNfvVaZe5fsL6Ph6KIk6r1oFg9sfW_5i/view?usp=sharing. Nassau cap. 12, più il paragrafo relativo all’interferenza in un film sottile dell’appendice F, ma non il paragrafo “Diffraction from a layer grating” della stessa appendice)
14) Diffusione della luce. (Nassau capitolo 11 fino a pag 241 +https://docs.google.com/document/d/1Alnyx18RZhkDdXgld26M4cEM_dJQh7mg/edit?usp=sharing&ouid=102571260033734164116&rtpof=true&sd=true)
15) Cenni di fisica atomica. (Nassau appendice C + Capitolo 3 fino a pag 56 + e per le regole di Hund + per il calcolo delle energie)
16) Colore nelle molecole organiche. ( solo capitolo orbitals + https://drive.google.com/file/d/18uQLqCDyubCuTFhK4jWU-7yhjPEsqg-4/view?usp=sharing + Nassau capitolo 6 fino a Polyene Colorants + https://drive.google.com/file/d/19uQLqCDyubCuTFhK4jWU-7yhjPEsqg-4/view?usp=sharing)
17) Visione. (Nassau cap. 14 fino a Human color vision + https://drive.google.com/file/d/22uQLqCDyubCuTFhK4jWU-7yhjPEsqg-4/view?usp=sharing)
18) Emissione di corpo nero (cenni). (Nassau capitolo 2 fino a pag 45 + appendice B per Leggi di Stefan e Wien + https://drive.google.com/file/d/1B8Xz505UZBF7Jwau2oNKVvemTO6xrFJk/view?usp=sharing)
19) Colore nei metalli e semiconduttori. (Nassau capitolo 8 fino a LEDS and semiconductor lasers (escluso) + appendice E)
20) Laser: teoria generale più funzionamento di uno specifico laser tra quelli discussi a scelta dello studente. https://docs.google.com/document/d/16o4vL3-j_FHXqD_xo8CFzpiXlIoiz2Zz/edit?usp=sharing&ouid=102571260033734164116&rtpof=true&sd=true)
Qualora i link ai documenti esterni non siano funzionanti, materiale equivalente può essere scaricato da qui, o contattare il docente: https://drive.google.com/drive/folders/14v_SF1tXhtmJ9QltQIhS_M1TSFmgS_jQ?usp=sharing
Prerequisiti
Padronanza dei contenuti dei corsi di Fisica 2, matematica 1 e 2, ed Ottica geometrica. In particolare si danno per scontate, e sono assolutamente irrinunciabile, le seguenti nozioni:
1) Calcolo del modulo di un numero complesso (indipendentemente dalla sua rappresentazione)
2) Calcolo del prodotto scalare e vettoriale
3) Definizione di radiante
4) Definizione di piano di incidenza
5) Leggi della riflessione
6) Definizione di quantità di moto
7) Definizione di momento angolare
8) Definizione di angolo limite
9) Onde: definizione di periodo, frequenza, ampiezza e lunghezza d’onda
10) Lettura di grafici in scala lineare, semilogaritmica e doppio logaritmica.
11) Definizione di polarizzazione p ed s.
Modalità didattica
Lezioni frontali tenute in italiano. Libri di testo e materiali addizionali potranno essere sia in italiano che in inglese.
Tutte le lezioni sono tenute in presenza in modalità erogativa suddivise in 24 ore di lezione e 36 ore di esercitazioni.
Materiale didattico
F.W. Sears, Ottica, Ed. CEA
K. Nassau, “The Physics and chemistry of colors”, J. Wiley & Sons, Inc.
Appunti prof.ssa Tavazzi (possono essere scricati qui: https://drive.google.com/drive/folders/1vVCSgW9Vbk89tuiHYTEJ4a5P1zvcuRm0?usp=sharing . Si sottolinea che questi appunti possono integrare ma non sostituire i libri di testo.
Materiale fornito dal docente (vedi syllabus).
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Primo Semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Test scritto ed esame orale. Non sono previste prove in itinere.
Il test scritto non ha voto in trentesimi ma semplicemente un giudizio di ammissione o non ammissione all'esame orale. Esso consta di semplici esercizi, ed è volto a verificare la capacità dello studente di applicare i principali risultati della teoria studiata a semplici casi reali.
L'esame orale, con voto in trentesimi, consta di un colloquio sugli argomenti svolti a lezione ed ha lo scopo di verificare:
1) la proprietà di linguaggio
2) la conoscenza delle teorie affrontate nel corso
3) il livello di comprensione delle teorie affrontate nel corso
E' possibile, su richiesta dello studente, sostenere l'esame in lingua inglese.
Orario di ricevimento
Tutti i giorni previo appuntamento
Aims
The aim of the course is to describe the different processes through which light interacts with atoms, molecules and bulck materials. Starting from the phenomena that can be described simply on the basis of Maxwell's equations, we will then move on to the illustration of those that require a more sophisticated approach up to the photophysics of vision.
Contents
1. WAVE-PARTICLE DUALITY (hints) and MATHEMATICAL REPRESENTATION OF WAVES: Real representation and complex representation of waves; Phase and phase velocity of a wave; Scalar and vector waves; Polarized plane waves.
2. ELECTROMAGNETIC WAVES: Maxwell's equations (review); Wave equation: propagation of electromagnetic waves in vacuum and in materials; Complex refractive index and complex dielectric function; Dispersion and attenuation of electromagnetic waves in materials; Lorentz and Drude models.
3. TRANSMISSION AND REFLECTION: Transmission of electromagnetic waves; Absorption coefficient and Lambert-Beer law; Reflectivity at normal incidence; Transmittance, absorbance and reflectance spectra at normal incidence; Refraction and reflection of linearly polarized light at oblique incidence; Fresnel equations; Brewster's law and polarization of light by reflection; Color produced by refraction.
4. OPTICAL ANISOTROPY: Bravais lattice definition (outline); Dielectric tensor of anisotropic media; Propagation of electromagnetic waves in anisotropic media; Birefringence; Waveplates; Dichroic polarizers.
5. INTERFERENCE AND DIFFRACTION. Fraunhofer diffraction and limit of resolution. Pure interference (thin films). Diffraction gratings.
6. DIFFUSION OF LIGHT: Rayleigh scattering; Raman scattering; Mie scattering; Color produced by diffusion.
7. LIGHT-ATOM AND LIGHT-MOLECULES INTERACTION: Introduction to optical spectroscopy; Hund's rules; Atomic transitions and selection rules; Light produced by gas excitation (comparison with light produced by black body emission); Outline of laser physics; Molecular transitions; Color of organic molecules; Beyond the single atom / molecule: the color of metals, insulators and semiconductors.
8. VISION: Photophysics of the vision process; Photopic and scotopic vision; Colorimetry: measurement and production of colors.
Detailed program
1) Wave-particle duality. (Notes from Prof. Tavazzi)
2) Mathematical representation of the waves. (Notes from Prof. Tavazzi)
3) Maxwell's equations: meaning and solutions. (Notes by prof.ssa Tavazzi + http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/9780470060193.app2/pdf for conventions + a textbook of electromagntis and / or http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/9780470060193.app3/pdf for the resolution procedure).
4) Lambert-Beer law. (Notes from Prof. Tavazzi)
5) Reflectivity at normal incidence. (Prof. Tavazzi notes + a textbook of electromagntis for boundary conditions)
6) Reflectance and transmittance (hints). (Notes from Prof. Tavazzi)
7) Reflectivity at oblique incidence. (Prof. Tavazzi notes + a textbook of electromagntis for boundary conditions)
8) Anisotropic media. (Notes from Prof. Tavazzi)
9) Lorentz and Drude models. (https://drive.google.com/file/d/13Ga3wLbqDT5dhN4H_WAm8bOYA9fkpuRE/view?usp=sharing)
10) Photometry. (http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/vision/lumpow.html#c1, http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/vision/radphocon.html#c1, http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/vision/photom.html#c1, http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/vision/bright.html#c2)
11) Colorimetry. (Both Sears and Nassau are suitable. Perhaps it is easier to study it on the former)
12) Color by refraction / dispersion. (Nassau chap. 10 up to page 226, but not Appendix F. Additional details on: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/atmos/rainbowcon.html#c1)
13) Color by interference and diffraction. (Sears for the basic theory + http://hep.fi.infn.it/FOC/didattica/beniculturali/fisica2/lez24.pdf. Nassau chap. 12, plus the paragraph on interference in a thin film of appendix F, but not the paragraph "Diffraction from a layer grating" of the same appendix)
14) Diffusion of light. (Nassau chapter 11 up to page 241 + http://www2.mater.unimib.it/utenti/meinardi/Integration_Raman.doc)
15) Elements of atomic physics. (Nassau appendix C + Chapter 3 up to page 56 + http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/atomic/hund.html and http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/quantum/hydfin.html#c2 for Hund's rules + http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/quantum/schr.html#c3 for energy calculation)
16) Color in organic molecules. (https://www2.chemistry.msu.edu/faculty/reusch/virttxtjml/intro3.htm#strc8c only chapter orbitals + http://www2.mater.unimib.it/utenti/meinardi/Integration_Organiche.docx + Nassau chapter 6 up to Polyene Colorants)
17) Vision. (Nassau chap. 14 up to Human color vision + http://www.chemistry.wustl.edu/~edudev/LabTutorials/Vision/Vision.html + http://www.sciencemag.org/content/254/5030/ 412.full.pdf)
18) Emission of black body (hints). (Nassau chapter 2 up to page 45 + appendix B for Laws of Stefan and Wien + http://www.lucevirtuale.net/percorsi/b1/corpo_nero.html)
19) Color in metals and semiconductors. (Nassau chapter 8 up to LEDS and semiconductor lasers (excluded) + appendix E)
20) Laser: general theory plus operation of a specific laser among those discussed at the student's choice. (http://www2.mater.unimib.it/utenti/meinardi/Integration_Laser.doc)
If links to external documents are not working, equivalent material can be downloaded from here: https://drive.google.com/drive/folders/14v_SF1tXhtmJ9QltQIhS_M1TSFmgS_jQ?usp=sharing
Prerequisites
It is assumed that the students already have a good knoweldge of the main contents of the courses of Physics 2, Mathematics 1 and 2, and Geometric Optics. In particular, the following notions are taken for known and are absolutely essential:
1) Calculation of the modulus of a complex number (regardless of its representation)
2) Calculation of the scalar and vector product
3) Definition of radiant
4) Definition of incident plane
5) Laws of reflection
6) Definition of momentum
7) Definition of angular momentum
8) Definition of limit angle
9) Waves: definition of period, frequency, amplitude and wavelength
10) Reading of graphs in linear, semi-logarithmic and double logarithmic scale.
11) Definition of polarization p and s.
Teaching form
Lectures (in Italian). Textbooks and additional materials may be in both Italian and English.
All lectures are given in presence in stadard mode (in italian, the so-called "modalità erogativa") divided into 24 hours of lectures and 36 hours of exercises.
Textbook and teaching resource
F.W. Sears, Ottica, Ed. CEA
K. Nassau, “The Physics and chemistry of colors”, J. Wiley & Sons, Inc.
Prof.ssa Tavazzi's notes (can be downloaded here: https://drive.google.com/drive/folders/1vVCSgW9Vbk89tuiHYTEJ4a5P1zvcuRm0?usp=sharing. Please note that these notes can complement but not replace textbooks.
Material provided by the teacher (see syllabus).
Semester
First semester
Assessment method
Written test and oral exam. There are no ongoing tests.
The written test does not have any score but simply an admission or non-admission judgment to the oral exam. It consists of simple exercises, and is aimed at verifying the student's ability to apply the main results of the studied theory to simple real cases.
The oral exam, with a grade expressed out of 30, consists of an interview on the topics explained during the lectures and aims to verify:
1) the property of language
2) knowledge of the theories addressed in the course
3) the level of understanding of the theories addressed in the course
It is possible, at the request of the student, to take the exam in English.
Office hours
Every day by appointment.
Key information
Staff
-
Francesco Meinardi