ottici, strumenti
ottici, strumenti
Al servizio dell’occhio e della visione
Ci sono strumenti ottici che facilitano la visione, correggendo difetti della vista o consentendo di vedere oggetti molto piccoli o molto lontani. Altri registrano permanentemente immagini per poterle osservare in seguito oppure le proiettano su uno schermo. In altri casi ancora gli strumenti ottici servono per eseguire misurazioni riguardanti i fenomeni luminosi e per vari scopi tecnici. Parti essenziali di tutti questi dispositivi sono le lenti e i prismi, il cui studio è basato sui principi dell’ottica geometrica
L’utilità degli strumenti ottici
Gli strumenti ottici nascono con l’intento di facilitare la visione. Servono per correggere i difetti dell’occhio o per proteggerci da una luce troppo intensa, come nel caso degli occhiali; ampliando le nostre potenzialità visive ci consentono, con i microscopi, di osservare oggetti molto piccoli oppure, con cannocchiali e telescopi, molto lontani, difficili o impossibili da vedere a occhio nudo.
Esistono strumenti ottici per registrare immagini (macchine fotografiche) o per proiettarle su uno schermo (proiettori); altri strumenti ancora sono usati per eseguire osservazioni e misure di fenomeni luminosi e grandezze ottiche. Infine, vari dispositivi ottici si avvalgono oggi dell’elettronica: le immagini vengono infatti registrate trasformando i segnali luminosi in segnali elettrici, e poi elaborate, memorizzate e riprodotte grazie a circuiti elettronici.
Specchi, lenti e prismi
Parti essenziali degli strumenti ottici sono gli specchi, le lenti e i prismi. L’ottica geometrica – la branca della fisica che se ne occupa – rappresenta la luce sotto forma di raggi che si propagano in linea retta nei corpi trasparenti omogenei. Sul fenomeno della riflessione della luce sono basati gli specchi. Gli specchi piani forniscono immagini simmetriche degli oggetti riflessi, gli specchi curvi immagini ingrandite o rimpicciolite, come nel caso del retrovisore dell’auto. In alcuni casi la curvatura produce immagini fortemente deformate come possiamo osservare specchiandoci nella parte concava e in quella convessa di un cucchiaio o di un mestolo di metallo.
Sul fenomeno della rifrazione (la deviazione che subisce un raggio luminoso passando da un corpo trasparente a un altro) sono basati i prismi e le lenti. I prismi sono blocchi di materiale trasparente con superfici piane non parallele e sono utilizzati per cambiare la direzione di propagazione di un raggio di luce o per separare un raggio di luce bianca nelle sue componenti che hanno i colori dell’iride. Le lenti sono pezzi di vetro o di plastica trasparenti delimitati da due superfici, almeno una delle quali è curva e si distinguono in lenti convergenti (più spesse al centro che ai bordi) e lenti divergenti (più sottili al centro). Si comprende la ragione di queste denominazioni esaminando ciò che avviene quando una lente è colpita da un fascio di raggi paralleli. Il fascio che esce da una lente convergente si restringe concentrandosi in un punto (il fuoco della lente), come possiamo osservare facendo passare i raggi del Sole in una lente d’ingrandimento. Il fascio che esce da una lente divergente, invece, si allarga man mano che si allontana dalla lente. Gli occhiali per correggere la miopia utilizzano lenti divergenti; quelli per correggere l’ipermetropia lenti convergenti. Le lenti, in generale, forniscono immagini che possono essere dritte o capovolte e ingrandite o rimpicciolite, a seconda della posizione dell’oggetto osservato rispetto alla lente e del tipo di lente. Ciò si verifica facilmente guardando una pagina di un libro attraverso una lente d’ingrandimento, con gli occhi a 20 ÷ 30 cm; sollevando la lente, vediamo l’immagine diritta e sempre più ingrandita, poi la vediamo confusa e infine ci appare rovesciata (v. fig.).
Gli strumenti per vedere oggetti piccoli
Per vedere oggetti molto piccoli lo strumento ottico più semplice è una lente convergente usata come lente d’ingrandimento. Essa può ingrandire un oggetto fino a poco più di 5 o 6 volte, prima che l’immagine risulti distorta e confusa. Ingrandimenti maggiori, fino a circa 1.000 volte, si ottengono usando un microscopio, che impiega generalmente due lenti, o due gruppi di lenti, chiamate obiettivo (la lente vicina all’oggetto che si osserva) e oculare (la lente vicina agli occhi). Altre parti essenziali di un microscopio sono quelle che provvedono a illuminare fortemente l’oggetto che si vuole osservare e a metterlo bene a fuoco per ottenerne una buona immagine.
La possibilità di osservare oggetti piccoli contribuì grandemente al progresso delle conoscenze: come per esempio la scoperta della cellula, l’elemento base di tutti gli organismi viventi, da parte dello scienziato inglese Robert Hooke nel 17° secolo. Del resto i microscopi sono ancora oggi strumenti preziosi in biologia e in medicina per l’esame di batteri, organismi unicellulari, tessuti animali e vegetali e simili.
Qual è il limite dei microscopi ottici? Frazioni di millesimo di millimetro: la luce visibile, infatti, è costituita da onde aventi questa lunghezza, sicché è impossibile vedere dettagli ancora più piccoli. Esistono però altri strumenti che non subiscono questa limitazione, come il microscopio elettronico, che fornisce ingrandimenti anche di 200.000 volte, ‘illuminando’ gli oggetti con un fascio di elettroni e creando un’immagine che può essere proiettata su uno schermo oppure fotografata. Prestazioni ancora più avanzate si ottengono con il microscopio tunnel a scansione, con il quale si possono addirittura ‘vedere’ gli atomi. Questo strumento rileva l’immagine facendo passare una punta metallica sottilissima sopra la superficie dell’oggetto e registrando le variazioni della debolissima corrente elettrica che si crea fra la punta e l’oggetto.
Gli strumenti per vedere oggetti lontani
Cannocchiali e telescopi permettono di gettare uno sguardo a oggetti molto lontani che, per via della distanza, ci appaiono poco definiti.
Le parti essenziali del cannocchiale, come del microscopio, sono due lenti, o due gruppi di lenti, disposte all’estremità di un tubo. Il cannocchiale terrestre impiega una lente divergente e una convergente, fornendo così un’immagine ingrandita e diritta. Ma ingrandimento rispetto a che? Non certo rispetto alla stella che guardiamo! Sicuramente c’è ingrandimento ‘lineare’ rispetto all’immagine diretta della stella, nel punto dove la osserviamo (per esempio immaginando di raccoglierla su uno schermo). Nel cannocchiale astronomico si usano invece due lenti convergenti: ciò fornisce ingrandimenti maggiori, ma l’immagine che si ottiene è capovolta.
Nel telescopio si utilizzano lenti di grandi dimensioni e specchi concavi per raccogliere la debole luce proveniente dalle stelle. L’immagine che così si genera può essere trasmessa all’occhio dell’osservatore, o a una lastra fotografica o a un dispositivo elettronico – simile a quello usato nelle macchine fotografiche digitali – che la registra sotto forma di segnali elettrici.
Altri strumenti ottici
Strumenti ottici, come le macchine fotografiche (fotografia) e le macchine da ripresa cinematografica, registrano permanentemente immagini fisse o in movimento, mentre per proiettare immagini su uno schermo si usano i proiettori per diapositive e i proiettori cinematografici.
Esistono anche strumenti per eseguire osservazioni e misure di fenomeni luminosi e grandezze ottiche, per esempio, per misurare l’intensità della luce emessa da una sorgente luminosa o il livello di illuminazione di un ambiente. Strumenti ottici speciali, infine, sono adoperati per eseguire misure di geodesia, cioè per studiare la forma e le dimensioni della Terra, e di topografia, cioè per caratterizzare il territorio, determinando le posizioni dei diversi luoghi e le distanze e i dislivelli che ci sono fra essi.
Strumenti per ciò che è piccolo, piccolissimo, o grande, grandissimo
Le invenzioni del microscopio e del cannocchiale risalgono all’inizio del Seicento e sono attribuite all’opera di artigiani olandesi, costruttori di occhiali. Il perfezionamento di microscopio e cannocchiale, e soprattutto il loro impiego per osservare ciò che nessuno aveva mai visto prima (il brulicare di piccoli organismi viventi nelle acque limpide di uno stagno, le ‘macchie’ sulla superficie del Sole e della Luna, i satelliti del pianeta Giove), si devono invece a vari scienziati, italiani, olandesi e inglesi, con il contributo fondamentale di Galileo Galilei. È significativo che questi strumenti, in grado di estendere le possibilità di osservazione, siano stati introdotti in concomitanza con l’inizio della rivoluzione scientifica che segna la nascita della scienza moderna.