Si tratta di una grande lente “a gradini” secondo l’invenzione dell’ingegnere e fisico francese Augustin-Jean Fresnel (1788,1827), utilizzata probabilmente per illustrare la propagazione del calore radiante e, più in particolare, per mostrare che esso si propaga e si rifrange con le stesse leggi della luce. Una lente di Fresnel è un particolare tipo di lente composita, caratterizzata da un ridotto spessore, e quindi da un peso ridotto, rispetto ad una lente convenzionale. Questo risultato è ottenuto componendo una lente centrale con un insieme di sezioni anulari concentriche di una lente convenzionale a formare un’unica lente di Fresnel. Tale struttura permette la costruzione di lenti di grande apertura e piccola distanza focale con un minore quantitativo di materiale rispetto ad una lente tradizionale e consente di costruire ottiche di grandi dimensioni più maneggevoli che con lenti convenzionali. L’impiego originario delle lenti di Fresnel è stato nei fari per la navigazione e la storia delle lenti a gradini è fortemente intrecciata con quella nautica. Nel XVIII secolo, le lenti di grandi dimensioni erano difficili da costruire, perdevano trasparenza a causa del loro spessore e producevano una forte aberrazione di sfericità [1]. Per diminuire l’effetto di questi inconvenienti, Georges-Louis Leclerc, conte di Buffon (1707,1788), un naturalista, matematico francese, per primo pensò di costruire lenti a scaglioni circolari che voleva venissero lavorate in un sol pezzo [2]. Le difficoltà furono tali da fare dimenticare il progetto. Parecchio tempo dopo, Augustin-Jean Fresnel, studiando la diffusione della luce nei fari per la navigazione, ebbe l’idea risolutiva di costruire i differenti segmenti in vari pezzi. Le curvature delle facce rifrangenti degli anelli erano regolate in modo da fare coincidere i fuochi delle diverse parti.
In questo strumento, una lente piano-convessa centrale (C) di circa 21 cm di diametro è circondata da due anelli concentrici (A e B) ciascuno dei quali ha la faccia piana dalla stessa parte di quella della lente centrale, mentre le facce opposte hanno curvature tali che i fuochi dei vari segmenti coincidono nello stesso punto (Fig.1) [1]. Questi anelli formano, insieme con la lente centrale, un’unica lente la cui sezione è mostrata in figura 2. La distanza focale è di circa 50 cm. Nel caso dello strumento presentato in questa scheda, le varie parti della lente sono costruite in un unico pezzo di vetro. La lente di Fresnel così ottenuta è retta da un supporto di ottone che a sua volta poggia su un treppiede di legno e può essere alzata e ruotata. Sulla cornice di ottone sono incise le parole “Lerebours et Secretan a Paris”. Un disegno (Fig.3), pubblicato in un catalogo di vendita della ditta costruttrice risalente al 1853, evidenzia la presenza di un sostegno, tenuto nella posizione del fuoco della lente da tre bacchette fissate alla cornice di ottone, in cui, presumibilmente, era posto un corpo da sottomettere all’azione dei raggi solari [3]. Tale accessorio è mancante.
In figura 3 al disegno originale pubblicato nel catalogo di vendita della ditta Lerebours et Secretan, è stato aggiunto, tracciato approssimativamente, un fascio di raggi solari paralleli focalizzati dalla lente di Fresnel su una sostanza, ad esempio oro, platino, quarzo, collocata nel centro del supporto coincidente con il fuoco della lente. Questa modifica è per illustrare un possibile utilizzo dell’oggetto: produrre sufficientemente alte temperature in grado di fondere o volatilizzare la sostanza a dimostrazione che il calore si comporta come “la luce perché il foco calorifico si forma allo stesso punto del foco luminoso” [1].
Poiché le curvature delle facce rifrangenti degli anelli sono regolate in modo da fare coincidere i loro fuochi con quello della lente centrale, la luce prodotta da una sorgente posizionata nel fuoco comune emerge dalla lente di Fresnel come un fascio di raggi paralleli all’asse che può propagarsi a notevole distanza, come avviene nei fari per la navigazione.
Invenzione delle lenti
L’invenzione delle lenti si deve a Salvino degli Armati, banchiere fiorentino, che costruiva i primi occhiali verso il 1280 [2].
Il fuoco di una lente [1,4]
Nelle figure 4 e 5 sono rappresentati fasci di luce paralleli, provenienti da un oggetto distante, che colpiscono una lente sottile, rispettivamente convessa e concava. Nel caso delle figure, i raggi di luce sono anche paralleli all’asse ottico, la linea immaginaria che passa attraverso i centri di curvatura delle due superfici della lente. Nelle lenti piano-concave e piano-convesse l’asse ottico è la perpendicolare condotta dal centro di curvatura della faccia sferica alla faccia piana. Il fuoco (fuoco principale o secondo fuoco) della lente coincide con il punto di convergenza dei raggi rifratti o dei loro prolungamenti. La distanza del fuoco dal centro della lente è la distanza focale. Il primo fuoco di una lente sottile è la posizione di un oggetto la cui immagine è all’infinito. Il primo e secondo fuoco di una lente sottile si trovano da parti opposte rispetto alla lente e sono equidistanti da essa.
Aberrazione di sfericità (o sferica)
L’aberrazione sferica è un difetto di natura geometrica che fa parte delle aberrazioni monocromatiche e delle aberrazioni assiali. L’aberrazione sferica si ha quando i raggi che si rifrangono nelle zone marginali di una lente vanno a convergere in un punto diverso da quello dei raggi prossimi al centro della lente, ossia il fuoco dei raggi marginali è diverso da quello dei raggi più vicini all’asse ottico. L’aberrazione sferica porta ad una immagine distorta. Nelle lenti esistono altri tipi di aberrazione ottica, ad esempio aberrazione cromatica, coma, astigmatismo.
Augustin-Jean Fresnel [5]
Augustin-Jean Fresnel (1788, 1827) è stato un ingegnere, matematico e fisico francese, con interessi in campo ottico, in particolare nell’ottica fisica. Si formò come ingegnere presso l’École Polytechnique di Parigi e poi presso École des Ponts et Chaussées. Occupato dal governo nel servizio delle strade, fu assorbito da lavori materiali e solo nel suo tempo libero poté dedicarsi a studi filosofici e scientifici. Quando Napoleone fuggì dall’Elba e tornò in Francia, si unì ai realisti contro Napoleone, così che, durante i 100 giorni della restaurazione del regime napoleonico, fu messo in disponibilità dal suo impiego. Questo gli concesse tempo libero per concentrarsi sugli studi ed esperimenti sulla luce. Fu sostenitore della teoria ondulatoria e della idea che calore e luce avessero forti similitudini. Studiò i fenomeni ottici di riflessione, rifrazione, interferenza e diffrazione e mise a punto una teoria della diffrazione completata da strumenti matematici chiamati successivamente integrali di Fresnel. Dopo la disfatta di Napoleone a Waterloo fu reintegrato nei suoi incarichi.
Tra il 1815 e il 1819 decise di pubblicare i suoi studi presso l’Accademia delle Scienze di Parigi, di cui successivamente divenne membro. A quel tempo era ancora aperta la disputa sulla natura corpuscolare o ondulatoria della luce, la prima risalente ai tempi di Isaac Newton e la seconda formulata da Christiaan Huygens più di un secolo prima. Secondo Fresnel, basandosi sulla ipotesi della natura ondulatoria, la propagazione della luce era dovuta a vibrazioni trasversali meccanico-elastiche dell’etere. Fresnel, insieme ad Arago, proseguì le sue ricerche per spiegare anche la polarizzazione della luce, scoprendo la polarizzazione circolare e convincendosi che, anche in questo caso, potesse essere spiegata solo ammettendo che la luce fosse un’onda trasversale.
Attorno al 1827, Fresnel era dipendente della Commissione per i Fari e in quella veste inventò un nuovo tipo di lente che produceva un fascio di luce molto più forte. La lente Fresnel è ancora utilizzata oggi nei fari attivi di tutto il mondo. Può essere trovata anche nei proiettori cinematografici, nelle lenti d’ingrandimento, nei veicoli spaziali e in altre applicazioni.
La ditta Lerebours e Secretan [6]
Lerebours e Secretan erano rinomati costruttori di strumenti nella Francia del XIX secolo. Erano conosciuti soprattutto per il loro lavoro nel campo degli strumenti astronomici, ottici e topografici. Il fondatore dell’azienda, Noël Jean Lerebours (1761,1840) iniziò a lavorare come orologiaio, poi, nel 1789 aprì il proprio laboratorio a Parigi. Dopo la sua morte nel 1840, il figlio adottivo Nicolas Marie Paymal Lerebours, che lavorava con lui dal 1830, rilevò l’azienda. Nel 1845 Lerebours si associò a Marc Francois Louis Secretan (1804,1867), un matematico e studioso di ottica svizzero, trasferito a Parigi per studiare astronomia. Insieme fondarono la ditta Lerebours & Secretan. Il sodalizio tra Lerebours e Secrétan terminò con il pensionamento di Lerebours alla fine del 1854. Nel 1861, Secrétan assunse suo figlio, Auguste, per gestire l’attività. Alla morte di Marc Secrétan nel 1867, Auguste Secrétan ereditò l’azienda, al tempo conosciuta come Maison de Secrétan. Nel 1874 alla morte di Auguste, un nipote di Marc Secrétan, Georges-Emmanuel Secrétan, fu chiamato dalla famiglia a continuare l’attività. Georges Secrétan morì nel 1906 e l’attività passò alla famiglia. Chiamata variamente “Maison Lerebours et Secrétan” e “Secrétan”, continuò fino al XX secolo sotto diversi proprietari.
Oltre a produrre lenti e occhiali di alta qualità per osservatori astronomici, negli anni 1840-1850 Lerebours si interessò a migliorare la fotografia dagherrotipica.
Bibliografia
[1] A. Ganot, Trattato elementare di Fisica Sperimentale ed Applicata e di Meteorologia, versione del dott. Gemello Gorini, 1861, FrancescoPagnoni, Milano,364. https://books.google.it/books?vid=IBNF:CF005788103&redir_esc=y. Provenienza dell’originale: Biblioteca Nazionale Centrale di Firenze, digitalizzato: 2 ago 2013
[2] M. Zannotti, Elementi di Fisica, 1864, Stabilimento Tipografico F. Vitale, Napoli, 518.
[3] Lerebours et Secretan, Catalogue et Prix des Instruments d’Optique, de Physique, de Chimie, de Mathématiques, d’Astronomie et de Marine, 1853, Parigi. https://www.sil.si.edu/DigitalCollections/trade-literature/scientific-instruments/pdf/sil14-51737.pdf. Provenienza dell’originale: Smithsonian Libraries, Instruments for Science, 1800-1914.
[4] R. Resnick, David Halliday, Fisica Generale, 2, CEA Milano
[5] Augustin-Jean Fresnel, https://it.wikipedia.org/wiki/Augustin-Jean_Fresnel
[6] Lerebours e Secretan, http://microscopist.net/Lerebours.html
Autore: Prof.ssa Sandra Morelli, Dipartimento di Scienze Fisiche, Informatiche e Matematiche