La luce

LA LUCE
Fisica e Chimica
Newton
(1642-1727)
Teoria corpuscolare
• La luce è composta da particelle dotate di
energia e impulso.
• Tali particelle vengono liberate dai corpi
luminosi e si propagano in linea retta.
• La riflessione è spiegata tramite il
rimbalzo delle particelle nel momento
dell’urto con una superficie.
• La rifrazione è dovuta alle forze che
le molecole di una sostanza
esercitano sulle particelle di luce
deviandone la direzione.
• La luce è più veloce nei corpi rispetto
al vuoto.
• Luci di colori diversi vengono rifratte
con angoli differenti a parità di indice
di rifrazione.
• Le particelle hanno diversa massa:
– i corpuscoli più grossi provocano la
sensazione del rosso;
– i corpuscoli più piccoli danno la
sensazione del violetto.
• Newton riuscì a spiegare:
– riflessione,
– differenze di colore,
– propagazione della luce dalla Terra al
Sole.
• La teoria corpuscolare però non
poteva dare una spiegazione a:
– assorbimento della luce dei corpi opachi,
– diffrazione,
– interferenza.
Huygens
(1629-1695)
Teoria ondulatoria
• La luce è costituita da un insieme di
onde meccaniche che si propagano in
linea retta.
• Le vibrazioni dei corpi luminosi
producono tali onde.
• La propagazione della luce è dovuta
all’oscillazione dell’etere.
• L’etere è un mezzo isotropo,
estremamente sottile, composto da
corpiccioli elastici.
• L’etere propaga la luce oscillando ma
non assume un moto traslatorio.
• Principio di Huygens per spiegare la
rifrazione.
• Assunzione che la velocità della luce
è inferiore nei mezzi che non siano
l’etere (ipotesi confermata dai
successivi studi sulla velocità della
luce).
• Spiegazione del fenomeno della
diffrazione attraverso il principio di
Huygens.
Young
(1773-1829)
• Young effettuò un esperimento
cruciale ottenendo prove convincenti
riguardo la natura ondulatoria della
luce.
• Esperimento della doppia fenditura.
– La luce che attraversa due sottili
fenditure forma su uno schermo
un’immagine che presenta un massimo
luminoso centrale e, simmetricamente
ad esso, una serie di frange laterali
alternativamente chiare e scure.
• L’immagine che si forma è una figura
d’interferenza spiegabile solo
attraverso la teoria ondulatoria.
• Nelle zone chiare vi è interferenza
costruttiva.
• Nelle zone scure vi è interferenza
distruttiva.
• Il risultato dell’interferenza dipende dalla
differenza di lunghezza tra i cammini
percorsi dalle onde provenienti dalle due
fenditure.
Maxwell
(1831-1879)
• Egli ipotizzò che la propagazione
della luce fosse dovuta alla
propagazione di un campo
elettromagnetico.
• Per avanzare tale ipotesi egli partì
dall’analisi dell’induzione
elettromagnetica.
• Un campo magnetico variabile
genera un campo elettrico variabile.
• Basandosi su un’idea di simmetria
della natura, Maxwell ipotizzò che
anche una variazione di campo
elettrico producesse un campo
magnetico variabile.
• Alla variazione di campo magnetico,
in una determinata zona di spazio,
segue la produzione di un campo
elettrico variabile il quale a sua volta
produce un campo magnetico
variabile e così via all’infinito.
• Si propaga in questo modo un’onda
elettromagnetica, indipendentemente
dalla presenza di materia in quanto è
un’onda di campo.
• I campi magnetico ed elettrico sono
perpendicolari tra loro e in fase.
• La luce rappresenta una particolare classe
di onde EM con lunghezza d’onda
compresa tra 380 e 710 nm.
• L’ipotesi di Maxwell fu confermata
dagli esperimenti di Hertz.
• Hertz fu il primo a generare e
rilevare le onde EM e a dimostrare
tutte le sue proprietà.
• L’insieme delle onde EM viene
descritto attraverso lo spettro
elettromagnetico che comprende:
– Raggi γ
– Raggi X
– Raggi UV
– Luce visibile
– Infrarossi
– Microonde
– Onde radar
– Onde radio
• Gli esperimenti condotti da Michelson
e Morley smentirono la necessita
dell’etere per la propagazione delle
onde EM.
• Essi non furono in grado di rilevare
alcun moto della Terra rispetto
all’etere.
Planck
(1858-1947)
• Alla fine del XIX secolo attendeva
ancora spiegazione il fenomeno della
luce emessa dai corpi incandescenti.
• L’intensità della radiazione emessa è
proporzionale alla quarta potenza
della temperatura assoluta.
• Un corpo che assorbe tutte le
radiazioni viene definito corpo nero.
• Il corpo nero, se riscaldato, emette
radiazioni aventi distribuzione
continua di frequenze, ma presenta
un picco di emissione.
• La lunghezza d’onda del picco di
emissione diminuisce all’aumentare
della temperatura seguendo la legge
di Wien.
• Al crescere della temperatura aumenta
anche l’intensità delle radiazioni emesse
alle varie lunghezze d’onda.
• La teoria di Maxwell prevedeva
correttamente quale poteva essere la
causa dell’emissione.
• Non era coerente, però, con lo
spettro ottenuto sperimentalmente.
• Ipotesi dei quanti di Planck:
– Prevede correttamente l’andamento
delle intensità delle radiazioni di un
corpo nero.
– È necessario ammettere che l’energia
distribuita tra le cariche elettriche
oscillanti delle molecole non è continua
ma discreta.
– Le quantità discrete di energia sono
legate alla frequenza di oscillazione.
Einstein
(1879-1955)
• Rifacendosi all’idea dei quanti,
Einstein propose una nuova teoria
per la luce.
• Teoria quantistica della luce.
• Studio dell’effetto fotoelettrico.
• Tale fenomeno risulta compatibile
con la teoria ondulatoria della luce.
• I risultati sperimentali, però, sono in
netto contrasto con le previsioni
elaborate a partire dalla teoria
ondulatoria.
• Una corretta spiegazione è possibile
solo assumendo che:
– L’energia trasportata dall’onda sia
concentrata in pacchetti o quanti di
energia.
– La quantità di energia trasportata dal
quanto di luce dipende unicamente dalla
frequenza.
– Aumentare l’intensità significa solo
aumentare il numero di fotoni per unità
di superficie trasportati dal fascio, ma
non variare la loro energia.
Bohr
(1885-1962)
Lo spettro dell’idrogeno
• L’idrogeno portato a elevate
temperature emette onde EM con
uno spettro a righe.
• Emissione:
– UV
– Banda del visibile
– Infrarossi
• Le onde emesse dagli atomi di
idrogeno eccitati hanno un significato
strutturale.
• Bohr elaborò un modello di struttura
atomica adatto a spiegare gli spettri
di emissione e assorbimento
dell’idrogeno.
• Egli pensò che anche gli elettroni
perdono o assorbono energia solo
per salti quantici.
• Lo spettro di emissione a righe si origina
nel momento in cui un elettrone passa da
un livello superiore di energia ad un livello
inferire emettendo un fotone.
• La teoria di Bohr permette di
spiegare, inoltre, l’origine degli
spettri di assorbimento.
• Il modello atomico quantizzato
prevede con precisione il valore
dell’energia di ionizzazione
dell’idrogeno.
Compton
(1892-1962)
Effetto Compton
• I raggi luminosi di breve lunghezza
d’onda diffusi da una sostanza hanno
frequenza più bassa rispetto al
raggio incidente.
• La lunghezza d’onda dei fotoni diffusi
dipende dall’angolo con cui vengono
deviati.
• Tale scoperta è spiegabile solo in
termini di urti tra i fotoni e le
molecole della sostanza.
• La teoria ondulatoria classica non dà
ragione di questo fenomeno (la
frequenza non dovrebbe cambiare).
Dualismo onda-particella
• La teoria corpuscolare della luce
viene posta su solide basi
sperimentali da:
– Effetto fotoelettrico
– Emissione e assorbimento di spettri a
righe
– Effetto Compton
• La teoria ondulatoria trova un
importante fondamento negli
esperimenti sull’interferenza e la
diffrazione.
• Entrambe le teorie sono valide.
• È necessario, per avere la piena
comprensione di un fenomeno legato
alla luce, tenere presenti entrambi gli
aspetti, corpuscolare e ondulatorio.
Astronomia
• La composizione chimica delle stelle
viene determinata attraverso l’analisi
della posizione e dello spessore delle
righe negli spettri di emissione.
• I gas compressi ad alta temperatura
emettono spettri continui.
• I gas dell’atmosfera stellare
assorbono determinate lunghezze
d’onda.
• Allo spettro di emissione continuo della
stella si sovrappone quello di
assorbimento a righe dell’atmosfera
stellare.
• Gli spettri stellari sono suddivisi in tipi
spettrali in base a particolari affinità.
• Le caratteristiche delle classi spettrali
variano in base al colore con cui appare
una stella.
• Il colore di una stella dipende dalla
sua temperatura superficiale in
accordo con la legge di Wien.
• Le stelle vengono classificate
attraverso classi spettrali in base alla
loro temperatura superficiale che
condiziona il colore e le
caratteristiche dello spettro.
• Classi spettrali (in ordine decrescente
di temperatura): O, B, A, F, G, K, M.
• Nell’antichità le stelle venivano
classificate in base alla luminosità, la
quale veniva considerata funzione
della grandezza.
• Lo splendore di una stella, in realtà,
dipende dalla sua distanza
dall’osservatore.
• Per poter determinare le dimensioni
effettive di un astro è necessario
considerare la luminosità intrinseca
calcolata attraverso la legge di
Stefan-Boltzmann.
• Le stelle che appartengono alla
stessa classe spettrale hanno
luminosità intrinseca, quindi
magnitudine assoluta, uguale.
• Il diagramma H-R rappresenta le stelle,
indipendentemente dal momento della loro
origine, considerando la temperatura e la
luminosità.
• Il diagramma H-R viene utilizzato
anche per lo studio di ammassi di
stelle originatesi
contemporaneamente e legate
gravitazionalmente.
• Ammassi aperti
• Ammassi globulari
• Lo studio degli spettri è molto utile
anche per misurare la velocità con
cui si muovono le galassie.
• La luce proveniente da una sorgente
in moto viene percepita di colore
diverso rispetto al colore percepito se
la sorgente fosse ferma (effetto
Doppler ottico).
Letteratura italiana
Giosuè Carducci
(1835-1907)
Pianto Antico
L’albero a cui tendevi
la pargoletta mano,
il verde melograno
da’ bei vermigli fior,
nel muto orto solingo
rinverdì tutto or ora
e giugno lo ristora
di luce e di calor.
Tu fior de la mia pianta
Percossa e inaridita,
tu de l’inutil vita
estremo unico fior,
sei ne la terra fredda,
sei ne la terra negra;
né il sol più ti rallegra
né ti risveglia amor.
• La tematica centrale della poesia è
l’opposizione luce-ombra che
rispecchia l’opposizione vita-morte.
• La luce e il calore rappresentano la
vitalità della natura primaverile.
• Il buio e il freddo simboleggiano il
dramma vissuto dal poeta dopo la
morte del figlio.
• La negazione della luce rappresenta
la condizione della morte.
• La morte è caratterizzata dalla
mancanza di gioia, dal buio e dal
silenzio.
Giuseppe Ungaretti
(1888-1970)
Mattina
M’illumino
d’immenso
• Il poeta viene investito da una luce
violenta che riverbera nello spazio.
• In quel momento l’uomo partecipa
della vita del tutto e il relativo si
identifica con l’infinito.
• L’ineffabile viene rappresentato
attraverso un improvviso bagliore.
• La parola che sfiora la totalità
dell’essere viene collocata nel vuoto,
nel silenzio.
• Lo splendore della luce mattutina
trasmette una sensazione di pienezza
di vita.
• Il poeta effettua un’associazione
interiore tra luce solare e immensità
del tutto.
Eugenio Montale
(1896-1981)
I Limoni
…
Ma l’illusione manca e ci riporta il tempo
nelle città rumorose dove l’azzurro si mostra
soltanto a pezzi, in alto, tra le cimase.
La pioggia stanca la terra, di poi; s’affolta
il tedio dell’inverno sulle case,
la luce si fa avara – amara l’anima.
Quando un giorno da un malchiuso portone
tra gli alberi di una corte
ci si mostrano i gialli dei limoni;
e il gelo del cuore si sfa,
e in petto ci scrosciano
le loro canzoni
le trombe d’oro della solarità.
• La realtà fenomenica nega all’uomo
qualsiasi verità.
• Nella poesia I Limoni il profumo dei
limoni assume una funzione salvifica.
• L’uomo può intravedere il mistero
dell’essere solo quando la natura,
immersa nel silenzio, si trova in una
condizione di sospensione.
• La natura permette all’uomo di
andare oltre l’apparenza solo per
errore.
• Il processo conoscitivo è affannoso e
conduce ad un risultato illusorio.
• L’uomo immerso nel rumore delle
città si trova in una condizione di
“tedio.”
• Il giallo dei limoni, intravisto da un
portone socchiuso, riporta luce e
calore nella vita dell’uomo, i quali
simboleggiano la gioia di vivere e la
parziale rinascita dell’anima.
Letteratura inglese
William Shakespeare
(1564-1616)
• Juliet is for Romeo the fair sun,
which, with its light, fulfils his heart.
• Also the moon became envious of
Juliet’s bright beauty.
• Her eyes are like two stars.
• Romeo’s passion and love made
Juliet a bright angel, a shining star.
• In Macbeth there is the dualism
between darkness and light.
• The Evil (crimes and punishment)
occurs always during the night.
• The finel battle of liberation is in the
daylight.
• At the end Lady Macbeth always
brings with her a taper.
• The light of the candle means for her
the quest for the redemption from
her guilts.
• The light of a brief candle represents
also, for Macbeth, the metaphor of
life: short, without any meaning.
William Blake
(1757-1827)
• Songs of
Innocence
–
–
–
–
–
–
Light
Childhood
Happiness
Freedom
Imagination
“Lamb”
• Songs of
Experience
–
–
–
–
–
–
Darkness
Adulthood
Evil
Chaos
Fear
“Tyger”
• Evil represented in the poem
“London”:
– Described during the night
– Everything is black for the heavy
pollution
– Degradation, woe
– Oppression of the society deprives men
of the light of innocence
“The Chimney sweeper”
• Live surrounded by
black soot
• In te dream they
are locked in black
coffins
• When he awakes
he retourns to the
darkness
• His purity is
symbolized by his
white hair
• Angel with a bright
key makes them
free.
• They could play in
the light of the sun
Arte
Edward Hopper
(1882-1967)
Nighthawks
Chop Suey
Summertime