La protezione oculare dalle radiazioni elettromagnetiche - Estratto by Rivista Sfogliabile

LA PROTEZIONE OCULARE DALLE RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE Filtri e lenti solari

Fabiano Gruppo Editoriale

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Grafica e stampa: FGE srl

ISBN 978-88-31256-08-7

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Coordinatore Luigi Mele

Autori Luigi Mele Medico Chirurgo Oculista Andrea Piantanida Medico Chirurgo Oculista Mario Bifani Medico Chirurgo Oculista

Contributors Luigi Campajola Fisico

Gioacchino Gesmundo Ottico

Marcello Campajola Fisico

Nicola Pescosolido Medico Chirurgo Oculista

Marco Coppa Dottore in Chimica con indirizzo macromolecolare

Roberto Russo Chimico

Davide De Durante Medico Chirurgo Oculista Marco Del Boccio Medico Chirurgo Oculista Bruno Fumo Medico Chirurgo Oncologo Carla Gallenga Medico Chirurgo Oculista Pier Enrico Gallenga Medico Chirurgo Oculista Giulia Gerosa Ortottista Assistente in Oftalmologia

Antonio Salzano Medico Chirurgo Cardiologo Elena Scuro Ottico Marta Tranquillini Ortottista Assistente in Oftalmologia Pasquale Troiano Medico Chirurgo Oculista Luisa Trombetta Medico Chirurgo Neurologo

Introduzione Ciascuno di noi è esposto quotidianamente alle radiazioni solari in maniera differente a seconda della propria latitudine, occupazione o dei propri impegni. Il cambio dello stile di vita nei paesi industrializzati, la minor capacità di filtraggio delle radiazioni dannose da parte dell’ozonosfera, i rapidi cambiamenti climatici hanno di fatto aumentato l’esposizione dei nostri organi esterni alle radiazioni elettromagnetiche che compongono la luce esterna solare. E’ scientificamente provato che la quota di radiazioni ultraviolette che raggiungono la terra, non filtrate totalmente dall’atmosfera, sono collegate all’insorgenza di gravi danni cutanei che vanno dalle semplici scottature solari ai tumori cutanei. L’occhio non è scevro dall’essere anch’esso un obiettivo dei raggi ultravioletti e conseguentemente un possibile target di patologie causate dalle radiazioni elettromagnetiche. Cornea, cristallino e finanche retina in alcune situazioni particolari, possono subire gravi alterazioni e menomazioni se esposte ai raggi ultravioletti senza protezione: da qui la necessità di suggerire ai nostri pazienti l’utilizzo delle lenti da sole. Ma non tutte le lenti da sole sono uguali: esse sono caratterizzate da differenti filtri solari e differenti colori, possono essere più o meno scure, possono essere polarizzate o fotocromatiche con differenti gradi di scurimento. Per chiarire questa parte dell’oftalmologia erroneamente relegata ad un mero fatto commerciale ci è sembrato necessario intraprendere la stesura di questo nuovo testo che trattasse lo stato dell’arte dei filtri solari, focalizzando l’attenzione sulle loro caratteristiche tecniche, le indicazioni nella vita quotidiana e nelle diverse situazioni cliniche, nonché nelle varie età. La grande tradizione italiana sul design” attuale ed intramontabile” dell’occhiale da sole con i risultati più attuali sulla qualità delle lenti, ha reso possibile la realizzazione di un formidabile mezzo, che sa incidere sul gusto di tutti ed essere un vero e prorio “ausilio oftalmologico visivo e terapeutico” della cui conoscenza dettagliata ed approfondita il medico oculista, l‘ortottista assistente in oftalmologia nonché l’ottico non possono fare a meno. Ci auguriamo che questo terzo volume dedicato alle lenti da sole venga apprezzato come i precedenti dedicati all’ottica e rifrazione, ed alle caratteristiche delle lenti oftalmiche, e contribuisca ad aumentare l’attenzione verso un ausilio medico che risulta di fondamentale importanza nella pratica clinica quotidiana. Un sentito ringraziamento va ai contributors che hanno collaborato con professionalità alla stesura di alcune parti di questo manuale. Luigi Mele Andrea Piantanida Mario Bifani

Indice CAPITOLO 1 – Storia dell’ottica

Pag. 13

CAPITOLO 2 – Storia dell’elettromagnetismo

Pag. 17

CAPITOLO 3 – Le branche dell’ottica

Pag. 29

CAPITOLO 4 – Fondamenti di elettromagnetismo Introduzione 4.1 IL CAMPO ELETTRICO 4.2 IL CAMPO MAGNETICO 4.3 LE EQUAZIONI DI MAXWELL

Pag. 31

CAPITOLO 5 – La radiazione elettromagnetica Introduzione 5.1 LE EQUAZIONI DI MAXWELL E LE ONDE ELETTROMAGNETICHE

Pag. 41

CAPITOLO 6 – Lo spettro elettromagnetico Introduzione 6.1 ONDE RADIO 6.2 MICROONDE 6.3 INFRAROSSI 6.4 VISIBILE 6.5 ULTRAVIOLETTO 6.6 RAGGI X 6.7 RAGGI GAMMA

Pag. 57

CAPITOLO 7 – Fenomeni di propagazione delle onde elettromagnetiche Introduzione 7.1 FENOMENI DI PROPAGAZIONE 7.2 LA NATURA QUANTISTICA DELLA RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA

Pag. 65

CAPITOLO 8 – Le interazioni radiazioni materia

Pag. 75

CAPITOLO 9 – Fotometria Introduzione 9.1 INTENSITÀ DELLA LUCE 9.2 FLUSSO LUMINOSO E INTENSITÀ LUMINOSA 9.3 ILLUMINAMENTO 9.4 LUMINANZA 9.5 SORGENTI DI LUCE STANDARD 9.6 IL COLORE DELLE SORGENTI LUMINOSE 9.7 LUCE MONOCROMATICA E POLICROMATICA 9.7.1 Gli spettri di emissione 9.7.2 Analisi degli spettri di emissione e di assorbimento 9.8 INTERAZIONE RADIAZIONE MATERIA 9.8.1 Energia interna delle molecole 9.8.2 Transizioni energetiche 9.9 SPETTROSCOPIA DI ASSORBIMENTO 9.9.1 Spettroscopia nel visibile e nell’ultravioletto 9.9.2 Legge di Lambert Beer 9.9.3 Applicabilità della legge di Lambert Beer

Pag. 81

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CAPITOLO 10 – Colorimetria Introduzione 10.1 LA COMPOSIZIONE DEL COLORE 10.2 I DIAGRAMMI CROMATICI CIE 1931 E CIELAB (1976)

Pag. 107

CAPITOLO 11 – Lo spettrofotometro Introduzione 11.1 STRUTTURA GENERALE DI UNO SPETTROFOTOMETRO (UV-VISIBILE O IR) 11.2 SORGENTI 11.3 MONOCROMATORI 11.4 CELLE 11.5 RIVELATORI 11.6 SISTEMI DI ELABORAZIONE E PRESENTAZIONE DATI 11.7 TIPI DI SPETTROFOTOMETRO

Pag. 125

CAPITOLO 12 – La visione dei colori e la percezione cromatica

Pag. 133

CAPITOLO 13 – Classificazione delle radiazioni e dei loro effetti biologici Introduzione 13.1 RADIAZIONI IONIZZANTI 13.1.1 Sorgenti naturali delle radiazioni non ionizzanti 13.1.2 Sorgenti artificiali di RNI a bassa frequenza 13.1.3 Sorgenti artificiali di RNI ad alta frequenza 13.2 RADIAZIONI IONIZZANTI 13.3 EFFETTI DETERMINISTICI ED EFFETTI STOCASTICI

Pag. 139

CAPITOLO 14 – Effetti dei campi elettromagnetici non ionizzanti sul corpo umano Introduzione 14.1 EFFETTI A BREVE TERMINE 14.2 EFFETTI A LUNGO TERMINE 14.3 EFFETTI BIOLOGICI 14.4 EFFETTI SANITARI 14.5 POTENZIALE DI IONIZZAZIONE DEI CAMPI RF 14.6 FENOMENO UDITIVO DA MICROONDE

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CAPITOLO 15 – Effetti sul corpo umano dei campi magnetici ionizzanti Introduzione 15.1 EFFETTI BIOLOGICI 15.1.1 Danno chimico 15.1.2 Danno biomolecolare 15.1.3 Effetti biologici precoci e tardivi 15.1.4 Riparazione del danno da radiazioni 15.1.5 Fattori che influenzano l’effetto biologico delle radiazioni 15.2 EFFETTI SANITARI 15.2.1 Effetti somatici 15.2.2 Effetti teratogeni 15.2.3 Effetti genetici

Pag. 159

CAPITOLO 16 – Le interazioni delle radiazioni elettromagnetiche con l’apparato visivo Introduzione 16.1 RADICALI LIBERI E SCAVANGERS NELLA PATOLOGIA OCULARE

Pag. 175

CAPITOLO 17 – Danni oculari da radiazioni ultraviolette Introduzione 17.1 CUTE PERIOCULARE E PALPEBRE 17.1.1 Fotobiologia cutanea 17.1.2 Melanogenesi cutanea

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Indice

17.1.3 Il fototipo 17.1.4 Effetti delle radiazioni UV 17.1.5 Fattori di protezione 17.1.6 Dermatite palpebrale 17.1.7 I tumori cutanei 17.2 CONGIUNTIVA E CORNEA 17.2.1 Trasmittanza della cornea alle radiazioni ultraviolette e patologia indotta 17.2.2 Alterazioni istopatologiche 17.2.3 Modifiche indotte dall’azione fotodinamica delle radiazioni ultraviolette sulle strutture molecolari corneali 17.2.4 Pinguecola 17.2.5 Pterigion 17.2.5 Cheratocongiuntivite attinica 17.3 CRISTALLINO 17.3.1 Radiazioni UV 17.3.2 Danno biologico da UV-A o da UV-B? 17.3.3 Importanza dell’ambiente 17.3.4 Tipo di cataratta indotta 17.3.5 Sede molecolare del danno 17.3.6 Cataratta 17.4 RETINA 17.4.1 Edema maculare cistoide CAPITOLO 18 – Danni oculari da radiazioni del visibile 18.1 SUSCETTIBILITÀ RETINICA AL DANNO DA LUCE VISIBILE 18.1.1 La visione come cascata di eventi fotochimici 18.2 DANNO TERMICO O FOTOCHIMICO? 18.2.1 Istologia del danno fotochimico 18.2.3 Danno fotochimico da radiazioni ultraviolette 18.2.4 Bersaglio molecolare del danno fototossico 18.3 MACULOPATIA

Pag. 261

CAPITOLO 19. Danni oculari da radiazioni infrarosse 19.1 CATARATTA E MACULOPATIE 19.2 CATARATTA E MACULOPATIA

Pag. 279

CAPITOLO 20. Danni oculari da microonde, radfiofrequenza e bassa frequenza 20.1 MICROONDE (MO) E RADIOFREQUENZE (RF) 20.1.1 Meccanismi del danno da MO e RF sul cristallino 20.1.2 Morfologia delle lesioni indotte sull’occhio 20.1.3 Dati epidemiologici 20.2 EXTREMELY LOW FREQUENCIES (ELF)

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CAPITOLO 21. Inquadramento legislativo in materia di lenti oftalmiche Introduzione 21.1 OCCHIALI DA SOLE 21.2 NORMA EN 166 21.3 ETICHETTATURA DELLE LENTI 21.4 TRASMITTANZA DEI FILTRI DA SOLE AD USO GENERALE SECONDO NORMA TECNICA ISO EN 12312-1 CAPITOLO 22. Le lenti filtrant Introduzione 22.1 CLASSIFICAZIONI DELLE LENTI FILTRANTI 22.2 CARATTERISTICHE FISICHE DEI FILTRI. 22.3 OBBIETTIVI DEI FILTRI. 22.3.1 Riduzione della diffondanza

Pag. 299

Pag. 309

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22.3.2 Riduzione dell’ abbagliamento 22.3.3 Riduzione dell’ autofluorescenza del cristallino 22.3.4 Riduzione dell’aberrazione cromatica 22.3.5 Effetto preventivo su alcune patologie oculari CAPITOLO 23. I filtri solari Introduzione 23.1 CONTRASTO E METAMERISMO 23.2 ASSORBIMENTO ED EQUILIBRIO CROMATICO 23.3 SPETTROMETRIA DEI FILTRI SOLARI 23.3.1 Filtri in vetro 23.3.2 Cr39 23.3.3 Policarbonato 23.4 IL FILTRO DA SOLE IDEALE

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CAPITOLO 24. I materiali dei filtri solari Introduzione 24.1 I VETRI UTILIZZATI IN OTTICA OFTALMICA 24.2 LE RESINE ORGANICHE 24.2.1 Cr-39 24.2.2 Policarbonato 24.2.3 Trivex 24.2.4 Materiali ad alto indice di rifrazione

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CAPITOLO 25. La coloritura delle lenti Introduzione 25.1 COLORITURA DELLE LENTI IN VETRO MINERALE 25.2 COLORITURA DELLE LENTI IN MATERIALE ORGANICO 25.3 NOMENCLATURA DEI TRATTAMENTI 25.4 LA SPECCHIATURA

Pag. 349

Cap 26. I trattamenti dei filtri solari Introduzione 26.1 IL TRATTAMENTO ANTIRIFLESSO 26.1.1 Origini del trattamento antiriflesso 26.1.2 I riflessi e i loro effetti 26.1.3 I principi fisici del trattamento antiriflesso 26.1.4 Produzione dell’antiriflesso 26.1.5 Materiali per l’antiriflesso 26.1.6 Tipologie di antiriflesso 26.1.7 Antiriflesso per lenti in vetro 26.1.8 Antiriflesso per lenti in organico 26.2 IL TRATTAMENTO INDURENTE 26.2.1 Trattamento indurente per le lenti in vetro 26.2.2 Trattamento indurente per le lenti in materiale organico 26.2.3 Verniciatura o Laccatura 26.2.4 Tecniche di verniciatura 26.2.5 Sublimazione 26.2.6 I test per il controllo della resistenza all’abrasione 26.2.7 Considerazioni sulla realizzazione di un trattamento indurente 26.3 IL TRATTAMENTO IDROREPELLENTE 26.3.1 Realizzazione dello strato idrorepellente

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CAPITOLO 27. Le lenti fotocromatiche Introduzione 27.1 GENESI DEL COLORE 27.2 GENERAZIONE DI CROMOFORI PER VIA REATTIVA

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Indice

27.2.1 Isomerizzazione trans-cis 27.2.2 Rotture di legami eterolitiche o omolitiche 27.3 SISTEMI FOTOCROMATICI 27.3.1 Sali di alogenuro d’argento 27.3.2 Molecole fotocromatiche organiche 27.3.3 Materiali Fotocromatici di Tipo-T 27.3.4 Materiali Fotocromatici di Tipo-P 27.4 LE LENTI FOTOCROMATICHE 27.4.1 Lenti fotocromatiche in vetro 27.4.2 Lenti fotocromatiche in materiale organico 27.4.3 Lenti organiche di Terza Generazione 27.2.4 Lenti fotocromatiche progressive 27.5 COMPORTAMENTO DELLE LENTI FOTOCROMATICHE NELLA STAGIONE FREDDA CAPITOLO 28. Effetti generali dei raggi ultravioletti in età pediatrica

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CAPITOLO 29. L’occhio e i raggi ultravioletti nel bambino

Pag. 427

CAPITOLO 30. La protezione dai raggi ultravioletti nel bambino: il ruolo dei genitori

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CAPITOLO 31. Le lenti da sole in età pediatrica

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CAPITOLO 32. Le montature da sole in età pediatrica

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Capitolo 1 – Storia dell’ottica

Lo studio dell’Ottica, inteso come studio della natura della luce visibile, ha origini antiche e lontane. Le prime applicazioni di quelli che oggi potremmo chiamare principi ottici, con riferimento all’uso di lenti per l’ingrandimento e metalli per ottenere superfici riflettenti, possono essere ricondotte all’Antica Grecia. Uno dei primi testi teorici pervenutoci ad oggi, è l’Ottica di Euclide (circa 300 a.C.). In effetti, non è così sorprendente che il padre della Geometria, abbia infatti fornito anche un’interpretazione geometrica della luce. Nel suo trattato, Euclide interpretava la luce come un cono di raggi luminosi emessi dall’occhio ed era in grado di fornire una spiegazione al fenomeno della prospettiva. Più tardi, intorno al 40 d.C. Erone di Alessandria riesce a mostrare geometricamente che il percorso di un raggio riflesso da un piano ad un punto di osservazione è il percorso più breve possibile che la luce possa percorrere, dato il vincolo che il raggio tocchi il piano. Oggi potremmo chiamare il risultato di Erone Principio di minima distanza, e notare l’incredibile somiglianza con il moderno Principio di Fermat. Erone, tuttavia, non aveva apprezzato che la luce viaggia a velocità diverse in mezzi diversi e che quindi, per una descrizione corretta, occorrerebbe minimizzare il tempo impiegato piuttosto che il percorso. Tra i filosofi greci che hanno dato un importante contributo all’ottica, va annoverato anche Tolomeo. Nel suo trattato sull’Ottica, Tolomeo include una sezione su riflessione e rifrazione, riportando una tabella con angoli di rifrazione corrispondenti a vari angoli di incidenza per le coppie aria-acqua, aria-vetro. Con la fine della civiltà greca, il progresso scientifico si sposta nella civiltà islamica. Basti pensare ai risultati ottenuti nel campo dell’algebra e nello sviluppo di metodi matematici. Ma tali progressi non riguardavano solo il campo delle scienze matematiche. Un contributo fondamentale allo sviluppo dell’ottica viene dallo scienziato Ibn Sahl (d.C. 940 - 1000). Nel suo trattato Sugli strumenti ustori, Sahl illustra il concetto di punto di fuoco di un fascio luminoso in specchi curvi e lenti. Il risultato più rilevante di Sahl consiste in una prima formulazione dettagliata di quella che oggi è conosciuta come la Legge di Cartesio-Snell. Un altro grande protagonista del progresso scientifico nel campo dell’Ottica fu il matematico Alhazen (d.C. 965 - c. 1040). Alhazen scrisse un trattato di sette volumi sull’ottica. Nel corso dei suoi lavori, condusse molti esperimenti sulla propagazione rettilinea della luce, e sui fenomeni della riflessione e rifrazione. Ma dal punto di vista dell’Ottica, possiamo ritenere che il suo contributo principale sia quello relativo ad una dettagliata descrizione dell’occhio umano. L’avvento dell’Illuminismo, o Età della ragione, segna la nascita di molti grandi pensatori che, con i loro lavori sui fondamenti della matematica e della fisica, hanno contribuito ad una maggiore comprensione della natura delle cose. In particolare, l’Illuminismo è stato periodo di grande fermento per lo sviluppo dell’Ottica con accese discussioni tra grandi scienziati su quale fosse la natura della luce. Tra i principali protagonisti della rinascita scientifica dell’Illuminismo, possiamo sicuramente annoverare Cartesio (1596-1650). Nelle sue opere sull’ottica, Cartesio elabora quella che oggi conosciamo come Legge di Cartesio-Snell, formulata in maniera indipendente dallo scienziato Willebrord Snellius (1580 - 1626). Gli studi di Cartesio inerenti l’ottica furono tanti. Sebbene prevedesse erroneamente che la luce viaggiasse più velocemente in un mezzo “più denso” (cioè un mezzo con un indice di rifrazione

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più elevato) aveva correttamente interpretato i fenomeni luminosi come una forma di propagazione ondosa. Un traguardo cruciale per l’ottica ondulatoria è stato fornito dal fisico olandese Christiaan Huygens (1629-1695). Huygens elaborò il ben noto principio secondo cui ogni punto di un fronte d’onda è sorgente di onde secondarie il cui inviluppo fornisce il fronte d’onda ad un istante successivo. Il Principio di Huygens rimane tutt’oggi un potente strumento nello studio della propagazione di un’onda. In controversia con l’interpretazione ondulatoria della luce, Isac Newton (1642 - 1727) suggeriva erroneamente che la luce avesse una natura corpuscolare. L’influenza intellettuale di Newton al culmine della sua carriera era tale che la teoria corpuscolare della luce tendeva a dominare rispetto ad altre interpretazioni. Ad ogni modo, i contributi di Newton nel campo dell’Ottica furono tanti. Nel 1666, Newton dimostrò la decomposizione della luce bianca nei colori dell’arcobaleno tramite la rifrazione di un fascio luminoso ad opera di un prisma. Quella di Newton. rappresentava una prima osservazione del fenomeno della dispersione della luce, dovuto alla diversa velocità con cui le componenti cromatiche della luce viaggiano in un mezzo. A Newton si deve anche il primo telescopio riflettore, che sfruttava specchi curvi per ottenere l’ingrandimento di un oggetto distante. Forse il contributo più significativo all’ottica geometrica dell’epoca illuminista, venne dal matematico francese Pierre de Fermat (1607 - 1665). Nel 1657, Fermat enunciò il noto Principio secondo cui il percorso effettivo di un raggio luminoso tra due punti risulta il tragitto che impiega il minor tempo. Quello di Fermat, era strettamente correlato al principio di Erone della minima distanza. Il dibattito sulla natura della luce fu ripreso quando Augustin-Jean Fresnel (1788 - 1827) presentò nel 1818 un documento all’Accademia delle scienze francese in favore della teoria ondulatoria della luce. Sebbene Fesnel sia stato una figura importante nello sviluppo dell’ottica ondulatoria, fu Young a fornire le prime prove sulla natura ondulatoria della luce. Nel suo famoso esperimento della doppia fenditura, Young dimostrò che la luce presenta chiaramente fenomeni di ‘interferenza’, un effetto totalmente inspiegabile dalla teoria corpuscolare. Fresnel riprodusse in modo indipendente il lavoro di Young, aggiungendo una sostanziale comprensione del fenomeno della diffrazione. A Fresnel si devono anche i primi studi sul fenomeno della polarizzazione. Sebbene diversi fisici illuministi avessero dimostrato in modo convincente la natura ondulatoria della luce, la relativa fisica richiedeva inevitabilmente il supporto dell’Elettromagnetismo per una sua formulazione completa e consistente. Quella dell’Elettromagnetismo è una vasta branca della Fisica che trae le sue radici dal lavoro di molti matematici e fisici. In questo capitolo daremo al lettore una panoramica degli scienziati che con i loro studi sull’elettromagnetismo hanno contribuito maggiormente allo sviluppo dell’Ottica. A Michael Faraday (1791-1867), dobbiamo la scoperta della legge dell’induzione elettromagnetica, fenomeno per cui un campo magnetico variabile induce a sua volta un campo elettrico. Il grande fisico scozzese James Clerk Maxwell (1831-1879) incorporò la legge di Faraday e le altre leggi dell’elettromagnetismo insieme ai suoi stessi contributi, in una serie di equazioni conosciute come equazioni di Maxwell. Maxwell fu quindi in grado di mostrare che queste equazioni prevedevano che i campi elettrici e magnetici si propagassero nello spazio e nel tempo come onde. Dalle equazioni di Maxwell, era inoltre possibile calcolare la velocità di queste onde in funzione delle sole costanti universali fondamentali, quali la costante dielettrica e la permeabilità magnetica nel vuoto. Ciò significa che anche la velocità delle onde elettromagnetiche doveva essere un valore costante. Quando Maxwell calcolò questo valore, scoprì, con grande sorpresa, che corrispondeva al valore misurato della velocità della luce. Da ciò, Maxwell poté concludere che la luce è, a tutti gli effetti, una forma di radiazione elettromagnetica.

1. Storia dell’ottica

Qualche anno dopo, nel 1886, Heinrich Hertz (1857-1894) dimostrò con successo la generazione di onde elettromagnetiche prodotte attraverso la variazione del campo elettrico prodotto da una carica oscillante in un’antenna a dipolo. All’epoca, si credeva che la propagazione di tutti i tipi d’onda si dovesse svolgere in un mezzo fisico. Il mezzo preposto per la propagazione della luce era chiamato etere luminoso. Si supponeva, inoltre, che il valore della velocità della luce c fosse relativo all’etere. Nel 1887 Michaelson e Morley tentarono di misurare la velocità della luce in diversi punti dell’orbita terrestre attorno al Sole, usando un interferometro. Con grande sorpresa, Michaelson e Morley scoprirono che la velocità della luce non dipendeva dal moto relativo della Terra rispetto al Sole. Secondo la teoria della composizione dei moti relativi di Galileo, quello di Michaelson e Morley era un risultato sorprendentemente inspiegabile. Lorentz (1853-1928) rielaborò le trasformazioni di Galileo al fine di ottenere un insieme di relazioni che fosse consistente con i risultati legati alla teoria dell’Elettromagnetismo. Elaborò, quindi, un insieme di relazioni, note come trasformazioni di Lorentz, che permettessero di interpretare i fenomeni legati alla propagazione delle onde elettromagnetiche. Le trasformazioni di Lorentz, tuttavia implicavano risultati alquanto bizzarri: prevedevano, per un sistema in moto relativo rispetto ad un osservatore fisso, la dilatazione della dimensione temporale e la contrazione di quella spaziale. Fu Albert Einstein (1879 - 1955) nel 1905, col suo articolo sulla Relatività speciale a fornire una interpretazione delle trasformazioni di Lorentz rinunciando all’idea di “spazio e tempo assoluti. Se il XIX secolo era servito a porre la teoria ondulatoria della luce su solida base, le certezze scientifiche accumulatesi erano destinate a venire meno con l’avvento del XX secolo. La controversia sulla natura corpuscolare o ondulatoria della luce fu infatti ripresa con vigore, a causa delle difficoltà che la teoria ondulatoria presentava nel descrivere fenomeni di interazione della luce con la materia. Uno di questi problemi riguardava la comprensione della radiazione di corpo nero. Un corpo nero è un oggetto ideale che assorbe tutta la luce incidente su di esso ed emette radiazioni con una densità spettrale caratteristica della sua sola temperatura. Nel 1900, Max Planck annunciò in una riunione della Società della Fisica tedesca che era stato in grado di derivare correttamente lo spettro di radiazione del corpo nero, ma solo facendo la curiosa ipotesi che gli atomi emettessero luce in pacchetti di energia discreti piuttosto che in modo continuo. Nacque così il concetto di quanto di energia e di conseguenza la Meccanica Quantistica. Secondo Planck, l’energia E di un quanto di radiazione elettromagnetica era proporzionale alla frequenza ν della radiazione secondo la relazione E=hν, dove la costante di proporzionalità h è detta costante di Planck. L’ipotesi di Planck sembrava proporre di nuovo l’interpretazione corpuscolare della luce. Cinque anni dopo, nello stesso anno della pubblicazione della sua teoria della relatività speciale, Einstein, sfruttando l’idea di Planck, offrì una spiegazione dell’effetto fotoelettrico, ossia l’emissione di elettroni da una superficie metallica quando irradiata con la luce. Ma i problemi lasciati in sospeso dalla fisica classica agli inizi del 1900 erano tanti. Uno dei più urgenti riguardava la spiegazione della stabilità atomica. Secondo l’elettromagnetismo classico, un elettrone in orbita attorno a un nucleo dovrebbe perdere energia per irraggiamento e ‘cadere’ sul nucleo spiraleggiando. Il primo importante contributo che portò alla risoluzione di questo problema è dovuto a Niels Bohr, che nel 1913, incorporò il concetto di quantizzazione dell’energia nei processi di emissione e assorbimento della radiazione elettromagnetica da parte di un atomo. Sempre nel 1922, il modello dei quanti di luce venne in aiuto al fisico Arthur Compton, che fu in grado di spiegare la diffusione di raggi X su elettroni come collisioni di particelle tra i quanti di luce ed elettroni. Nel 1926, il chimico Gilbert Lewis suggerì per il quanto di luce, il nome “fotone” e da allora è stato così identificato.

La protezione oculare dalle radiazioni elettromagnetiche

Il fatto che per una corretta descrizione dei fenomeni di interazione con la materia, sia necessaria un’interpretazione corpuscolare, potrebbe risultare fuorviante, facendo supporre che la formulazione classica dell’elettromagnetismo non sia corretta. A ben vedere, non possiamo affermare ciò. L’elettromagnetismo classico, ossia quello descritto dalle equazioni di Maxwell, è infatti in grado di predire numerosi fenomeni relativi alla propagazione della radiazione luminosa. Tuttavia, tale teoria va rivista alla luce dalla meccanica quantistica. Questo è quello che viene fatto nell’Elettrodinamica quantistica, la più completa ed esauriente teoria in grado di descrivere l’interazione tra luce e materia. I successivi anni del ‘900, sono stati teatro di numerosi progressi scientifici nel campo dell’Ottica, che continuano ancora oggi. Basti pensare alla teoria dell’emissione stimolata per il funzionamento dei LASER, lo sviluppo dei LED, la nascita della crittografia quantistica, e tante altre scoperte od invenzioni.

Figura 1. Linea temporale dei principali sviluppi nel campo dell’Ottica.

Bibliografia • M. P. Vaughan, Optics PY3101, University College Cork, 2014. • R. J. Weiss, A Brief History of Light and Those That Lit the Way, World Scientific Pub Co Inc, 1996. • E. Segre, Personaggi e scoperte della fisica classica, Biblioteca E.S.T., Mondadori, 1983.