La natura dualistica della luce (sintesi storica)
XVII secolo [diatriba sulla natura della luce: particellare o ondulatoria?]
1. Newton La luce è fatta da corpuscoli che viaggiano in fila e in linea retta
2. Hutgens La luce è fatta di onde
1. (Newton ) Il modello corpuscolare era matematicamente semplice, spiegava bene diversi
comportamenti della luce come:
o la sua propagazione in linee rette
(secondo la meccanica introdotta da
Galilei)
o la sua velocità: elevata ma non infinita
o La riflessione, lo scattering, la
diffrazione e l’interferenza erano
spiegati come risultato di interazione
tra le particelle dei raggi o con i vari
materiali (urti elastici).
Più complesso, e meno credibile, risultva
la spiegazione del fenomeno della rifrazione secondo il modello corpuscolare. Secondo Newton questo
fenomeno è causato dall’attrazione gravitazionale tra le particelle di luce e la massa del mezzo
rifrangente. Avendo i vari colori, sempre per Newton, massa diversa questo spiegherebbe il fenomeno
della scomposizione (arcobaleno).
Questa ipotesi presuppone, però, due comportamenti della luce:
1. La diversa massa dei colori, per azione della gravità terrestre, dovrebbe comportarne
la scomposizione (separazione) in qualsiasi mezzo, anche nel vuoto: cosa non vera
all’evidenza dei fatti.
2. Per effetto gravitazionale, la velocità della luce sarebbe maggiore nei mezzi più densi.
Nessuno all’epoca era in grado di calcolare la velocità della luce e nemmeno la
differenza nei vari mezzi per cui tale ipotesi non poteva essere nè dimostrata né
confutata. Solo nel 1850 Jean FOUCALT dimostrò sperimentalmente che la velocità
della luce diminuisce nei mezzi più densi.
2. (Huygens) Tutti i comportamenti precedentemente citati (dalla propagazione alla diffrazione) già
da tempo erano riscontrabili e tipici di qualsiasi fenomeno ondulatorio (come le onde del mare, le
onde sonore ecc.) . Di conseguenza fu lecito, per Huygens, pensare uncomportamento ondulatorio
anche per la luce.
o Unica difficoltà era spiegare la propagazione in perfetta linea retta dei fasci di luce. Tale
problema veniva superato ammettendo le dimensioni molto piccole delle onde.
I dubbi rimasero fino al XIX secolo.
XIX secolo [conferma della natura ondulatoria]
1. Young Esperimento della doppia fenditura (interferenza)
2. Maxwell La luce è un’onda di energia elettromagnetica.
(Young) .L’esperimento mostra il risultato dell’interferenza che si genera proiettando un segnale
luminoso di una sola sorgente (una candela o una lampadina) su uno schermo dopo averlo fatto
attraversare due fenditure parallele di dimensioni prossime alla lunghezza d’onda del segnale
stesso.
Da ogni fenditura, per diffrazione, fuoriescono fasci di luce in ogni direzione (coni di luce). In parte
i due coni di luce si sovrappongono e, quindi, generano interferenza. Non è tanto il fenomeno
dell’interferenza che è la novità, bensì il risultato che si osserva: la proiezione sullo schermo appare
fatta di strisce luminose alternate a strisce scure, non luminose.
o La logica comune porterebbe a pensare che l’incontro di segnali luminosi farebbe aumentare
l’intensità del segnale stesso. Ciò andrebbe in accordo con la natura corpuscolare della luce (ad
esempio: se ogni segnale fosse fatto di 1000 corpuscoli, il loro incontro sullo schermo dovrebbe
portare un numero di corpuscoli compreso tra 1000 e 2000, mai comunque meno di 1000. Ma
l’esame delle intensità luminose rilevate sullo schermo evidenzia l’esistenza anche di strisce
con valori di luminosità zero. Mantenendo il modello corpuscolare occorrerebbe ammettere che
alcune particelle scompaiano nel nulla (cosa inaccettabile),
o La spiegazione razionale può essere data solo ammettendo la natura ondulatoria della luce:
due onde, quando si incontrano, lo possono fare in due modalità fondamentali: in fase o in
opposizione di fase.
1. Se l’interferenza è in fase si dice detta costruttiva (o positiva) e l’intensità risultante è
maggiore di ogni singolo segnale;
2. se l’interferenza è in opposizione di fase èdetta distruttiva ( o negativa) e l’intensità
risultante sarà minore di almeno uno dei due segnali di partenza.
Complessivamente, la sovrapposizione può portare ad intensità luminose risultanti che variano da
un minimo di valore 0 (nullo) ad un massimo corrispondente alla somma delle intensità che si
incontrano.
L’esperienza di Young pose fine alla diatriba nata del XVII secolo: la luce è fatta di onde.
Certo un passo fondamentale era stato fatto: la luce è un fenomeno ondulatorio, come quello
delle onde del mare o delle onde sonore. Quest’ultime erano ormai ben note: si tratta di onde
meccaniche in cui l’energia si trasmette attraverso la materia sottoforma di perturbazione
(variazione) elastica di forma, di volume, di lunghezza ecc.
Era noto anche che la luce, al contrario delle onde meccaniche, attraversa spazi anche
apparentemente vuoti, o quantomeno non contenenti materia di tipo comune.
Si era d’accordo sul comportamento della luce, ma ancora nulla di preciso si sapeva sulla natura
intima di essa: quale tipo di energia viene trasmessa con la luce? Quale tipo di perturbazione
produce? Quale tipo di mezzo sarebbe perturbato?
Le risposte furono date Maxwell.
Prima ancora di occuparsi della luce, Maxwell ebbe il merito di riunire le scoperte e le leggi a lui
precedenti relative ai campi elettrici e ai campi magnetici (Faraday, Newman, Lens, Lorentz ecc.),
in un’unica teoria che ipotizzava anche l’esistenza di un terzo campo di forze: quello
elettromagnetico. Tale teoria è nota, appunto, come teoria dell’elettromagnetismo, con la quale si
sostiene che magnetismo, elettricità e luce siano solo manifestazione differenti di un unico
fenomeno: l’elettromagnetismo. Maxwell dimostrò, soprattutto con la quarta equazione, che
perturbazioni di campi elettrico e magnetico si possono propagare nello spazio in contemporanea
alla velocità della luce. la prova fu data da Hertz attraverso la costruzione del dipolo Herziano: un
semplice circuito paragonabile ad un’antenna (precursore delle moderne radiotrasmittenti).
La luce dell’esperienza quotidiana fu, da Maxwell, considerata come una parte di queste
perturbazioni: la parte di spettro visibile. Esistono, in realtà, oscillazioni di frequenza (o lunghezza)
d’onda impercettibili, sia inferiori che superiori a quelle visibili ( dalle radioonde ai raggi gamma).
Maxwell aveva scoperto così la vera natura ondulatoria della luce. Su una cosa rimase legato alle
conoscenze tradizionali: non ammetteva che la luce (come anche il campo magnetico e quello
elettrico) potesse attraversare il vuoto bensì, essendo comunque proprietà della materia, si
trasmettesse attraverso l’etere (un materiale misterioso che permea tutto: ipotizzato già dagli antichi
greci ma, in realtà, mai dimostrato).
Nel XIX secolo rimanevano altri aspetti importantissimi da spiegare e capire relativi alla luce e
all’elettromagnetismo in genere: l’interazione tra luce (onde elettromagnetiche) e la materia fu un
fenomeno molto trattato e discusso.
XX secolo [scoperta dell’elettrone e della natura doppia della luce]
Nel XIX secolo furono molto intensi gli studi sull’elettricità, sul magnetismo ed elettromagnetismo
in rapporto anche con la materia nelle sue varie forme e stati.
Al fine di giungere a leggi scientifiche riguardo all’interazione luce-materia, fu definito un
materiale ideale: il Corpo nero corpo ideale in grado di emettere, se scaldato, radiazioni di tutte
le lunghezze d’onda (spettro continuo) e, viceversa, di assorbire, se colpito da radiazioni, tutte le
lunghezze d’onda
Sperimentalmente il dispositivo di Kirkhoff (una sfera presentante un foro di 1 cm2 di
sezione).emula perfettamente un corpo nero, mentre i corpi reali solidi, liquidi e gassosi ad alta
densità tendono a comportarsi come esso.
Wien Studi sull’interazione Luce-Materia (Corpo Nero): Un corpo nero riscaldato emette
radiazioni di tutte le lunghezze d’onda, ma con una intensità variabile in funzione della
lunghezza d’onda e con un andamento a campana di gauss. Il grafico a campana, inoltre,
non è sempre lo stesso, ma varia al variare della temperatura del corpo nero, tale che si
rispetti la formula λmax= c/T (Legge di Wien, 1886); dove c= costante di Wien e T=
temperatura in Kelvin e λmax= lunghezza d’onda in cui si registra la massima intensità
luminosa [la legge spiega bene come mai a determinate temperature un corpo nero, ai nostri
occchi,.assume determinati colorazioni].
Stephan –Boltzmann L’energia luminosa irradiata da un corpo nero scaldato è funzione
della temperatura secondo la formula E=σT4 dove σ= costante di Stephan-Boltzmann
Planck Per spiegare le leggi precedenti (soprattutto quella di Wien), ipotizzò che gli
scambi di energia durante emissione ed assorbimento di luce da parte di un corpo nero sono
in relazione, più che con l’ampiezza (come per le onde meccaniche), con la frequenza
d’onda della luce: ad energie maggiori corrispondono frequenze d’onda maggiori e
viceversa.
Le sue ricerche dimostrarono, ad esempio, che determinate frequenze di luce sono emesse
dal corpo nero solo a determinate temperature (e quindi energie). Complesse elaborazioni
matematiche lo portarono a scoprire una costante e formula fondamnetali E=hν dove
E=Energia; h=costante di Placnk* ; ν= frequenza d’onda. h è detto quanto d’azione e hν è il
minimo quantitativo di energia contenuto in un’onda elettromagnetica. Significa, in altre
parole che, per far emettere una radiazione elettromagnetica di una determinata frequenza,
devo fornire ad un corpo nero un quantitativo di energia almeno pari a hν. L’energia
complessiva di un’onda, è chiaro, potrà essere più alta, ma sempre un multiplo intero di tale
quantitativo minimo: E=nhν. (con n=1,2,3,4,5,6….) Questa teoria è nota come teoria dei
quanti di Planck.
Dalla teoria dell’esistenza dei quanti di Planck si fa presto a passare alla teoria quantistica
della luce. Cioè, dimostrato che la materia può assorbire ed emettere energia
elettromagnetica solo in quantità discrete, diventa plausibile pensare che la stessa energia
elettromagnetica può esistere (e non solo essere scambiata) esclusivamente in forma
quantizzata. E la dimostrazione di tale intuizione fu data da Einstein
Einstein Effetto fotoelettrico: emissione di elettroni da parte di metalli colpiti da
radiazione elettromagnetiche di determinate frequenze (differenti per ogni metallo
utilizzato) La luce è fatta di particelle (fotoni), prive di massa e di carica, ma aventi una
determinata energia cinetica (proporzionale alla frequenza secondo l’equazione di Planck) in
grado di ’urtare’ contro altre particelle, come l’elettrone, cambiandone la direzione (fino a
farlo uscire dal proprio atomo)
Con Einstein di teorizza, quindi, la doppia natura della luce: Ondulatoria (come aveva
dimostrato Maxwell) ma anche corpuscolare (fatta a pacchetti, i fotoni)
Bohr Teoria dell’atomo quantistico. Grazie agli studi sugli spettri di luce assorbita ed
emessa da vari materiali, evidenzia che lo scambio di energia tra elettrone e luce può
avvenire solo con valori discreti (quantizzati) e questo lo porta a pensare che lo stesso
elettrone può avere energie e orbite discrete (quantizzazione delle energie e delle orbite
dell’elettrone livelli quantici)
Negli anni Venti DAVISSON, GERMER, THOMPSON, De BROGLIE dimostrarono
che anche gli elettroni hanno una duplice natura di onda e particella. Il comportamento di
queste entità fondamentali è descritto correttamente dalla meccanica ondulatoria elaborata
da SCHROEDINGER, HEISENBERG e DIRAC.
Conclusioni
La natura ondulatoria degli elettroni non si osserva facilmente a causa delle loro piccolissime
lunghezze d’onda; anche la natura ondulatoria della luce non viene facilmente evidenziata perché il
numero di particelle di luce, i fotoni, in un fascio luminoso è grandissimo e l’energia di ogni singolo
fotone è molto piccola. Per tale motivo i primi studi hanno rilevato solo la natura corpuscolare.
Le ricerche degli ultimi secoli hanno portato a pensare che LA LUCE e l’ELETTRONE
abbiano natura dualistica, ma in nessuna ricerca o prova sperimentale o fenomeno osservato le
due nature (corpuscolare e ondulatoria) sono state osservate contemporaneamente. A seconda del
caso trattato, cioè, possiamo accorgerci solo dell’una o solo dell’altra natura.
