La luce
Amaldi, L’Amaldi 2.0 © Zanichelli editore 2010
Onde o corpuscoli?
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Modello corpuscolare della luce
Secondo Newton la luce era composta da piccole
particelle, dette corpuscoli, emesse dalla sorgente
luminosa, che seguivano traiettorie rettilinee finchè non
urtavano contro qualcosa, rimbalzando e producendo il
noto fenomeno della riflessione.
Tale modello descriveva in modo efficace la formazione delle ombre
nette e della riflessione ma non riusciva a spiegare,ad esempio, il
fenomeno della doppia rifrazione (birifrangenza).
Nell’attraversare il cristallo di calcite
il raggio di luce si sdoppia in due raggi
rifratti dando luogo ad una doppia immagine
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La dispersione della luce (1)
Un fascio di luce bianca, dopo che ha attraversato un prisma,
si suddivide nei diversi colori che costituiscono lo spettro
della luce.
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La dispersione della luce (2)
Il raggio di luce blu si piega di più del raggio rosso dopo aver
attraversato la lente. I due raggi rifratti non passano per lo stesso punto.
La dispersione della luce è dovuta al fatto
che l’indice di rifrazione di una sostanza
trasparente dipende dal colore.
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La luce bianca
La luce bianca è
la sovrapposizione
dei diversi colori
dello spettro.
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Perché il girasole è giallo?
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I colori
Ciascun colore corrisponde a una particolare frequenza
e, quindi, a una particolare lunghezza d’onda.
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Gli oggetti, quando sono investiti dalla
luce bianca, assorbono alcuni colori e ne
riflettono altri.
• Il girasole è giallo perché diffonde il giallo
e assorbe tutti gli altri colori.
• Un corpo bianco diffonde tutti i colori.
• Un corpo nero assorbe tutti i colori.
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I raggi di luce
Un raggio luminoso è un fascio di luce molto sottile,
che rappresentiamo con una retta.
Questo semplice modello della propagazione della luce è coerente sia con
il modello corpuscolare (i raggi sono le traiettorie dei corpuscoli) sia con il
modello ondulatorio (i raggi sono la direzione in cui si propaga l’onda).
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Le sorgenti di luce
I corpi che emettono la luce
sono chiamati corpi luminosi
o sorgenti di luce.
I raggi che essi emettono
colpiscono gli altri oggetti
(i corpi illuminati),
sono diffusi in tutte le direzioni
ed entrano, infine, nei nostri
occhi.
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Modello ondulatorio della luce
Lo scienziato olandese Huygens,
contemporaneo di Newton, elaborò una
teoria secondo cui la luce è un’onda
simile a quelle che fanno vibrare l'aria o
alle onde di energia meccanica che
increspano la superficie dell'acqua.
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La velocità della luce
La luce percorre circa trecentomila km al secondo.
La velocità della luce è la massima possibile in natura
ed è sempre la stessa in tutti i sistemi di riferimento.
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Luce e suono
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Vi sono diversi fenomeni che il modello
corpuscolare non riesce a spiegare.
1) RIFRAZIONE
2) DIFFRAZIONE E INTERFERENZA
3) BIRIFRANGENZA o RIFRAZIONE
DOPPIA
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1) La rifrazione
La riga “piegata”: i raggi di luce riflessi dal righello,
passando dall’acqua all’aria, si rifrangono, cioè si piegano.
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La rifrazione
La rifrazione avviene ogni volta che un raggio attraversa
la separazione tra due mezzi trasparenti nei quali la luce
ha velocità diverse.
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La moneta sott’acqua
Una moneta che si trova sul fondo è vista come se
stesse più in alto.
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Agli inizi del 1800 alcuni esperimenti
misero in evidenza che la luce non
sempre disegna ombre nette.
La luce che attraversa una fenditura molto
sottile crea su uno schermo una serie di
frange luminose alternate a zone scure.
Questo fenomeno non poteva essere
spiegato dal modello corpuscolare che
prevedeva il formarsi di una sola striscia di
luce, circondata da due zone d’ombra.
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2) La diffrazione e interferenza
Il modello corpuscolare della luce non è in grado di
spiegare il fenomeno della diffrazione.
Si ha diffrazione quando la luce aggira gli ostacoli (non si
propaga in linea retta) e invade quella che dovrebbe
essere una zona d’ombra. Se un fascio di luce passa
attraverso una fenditura larga, sullo schermo compare una
sola striscia luminosa.
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Restringendo la fenditura, compaiono delle frange
luminose alternate a zone scure.
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La diffrazione dell’acqua
La diffrazione è molto marcata quando la fenditura
ha dimensioni simili a quelle della lunghezza d’onda.
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Se il modello corpuscolare non riesce a
spiegare la diffrazione, la luce è
un’onda?
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La questione restava ancora aperta…
Solo nel 1801 Thomas Young, riuscì a
produrre figure di interferenza a partire da
luce proveniente da due piccoli forellini a
distanza ravvicinata su una lastra opaca.
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Anche la luce interferisce
λ=yd/l
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Massimi e minimi
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L’interferenza
Si ha interferenza quando due onde si propagano nello stesso mezzo:
in alcuni punti gli effetti si rinforzano (interferenza costruttiva), in altri si
annullano (interferenza distruttiva). Le increspature sulla superficie
dell’acqua hanno una struttura detta figura di interferenza.
Immergiamo
nell’acqua due punte
che salgono e
scendono insieme.
Esse generano due
onde circolari con la
stessa lunghezza
d’onda.
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Interferenza costruttiva
L’interferenza costruttiva si ha quando le due onde oscillano
in fase (giungono insieme al valore massimo e a quello
minimo).
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Interferenza distruttiva
L’interferenza distruttiva si ha quando le onde oscillano in opposizione
di fase (una raggiunge il massimo quando l’altra è al minimo).
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L’esperimento di Young fu dunque
decisivo per l’affermazione di una teoria
ondulatoria della luce.
Questo modello si impose alla fine del
1800, quando trovò conferma nella
previsione di Maxwell, secondo cui:
“La luce è un’onda elettromagnetica: la
perturbazione è costituita da campi
elettrici e magnetici oscillanti che si
propagano anche nel vuoto.”
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3) BIRIFRANGENZA
Da Enciclopedia Treccani online
In ottica, proprietà di sostanze otticamente anisotrope (generalmente cristalli) di dar luogo al
fenomeno della doppia rifrazione (o birifrazione), consistente nello sdoppiamento di un raggio
incidente in due raggi rifratti (eventualmente sovrapposti). I due raggi hanno diverse velocità di
propagazione (e quindi corrispondono a essi indici di rifrazione diversi) e risultano polarizzati
linearmente in due piani tra loro perpendicolari. Il fenomeno, particolarmente evidente nei cristalli
limpidi di calcite (spato d’Islanda), fu scoperto nel 1669 da Rasmus Bartholin e studiato
successivamente da Ch. Huygens e da A.-J. Fresnel, al quale si deve una esauriente teoria, che è
stata successivamente rielaborata nell’ambito della teoria elettromagnetica della luce.
Anisotropia = proprietà fisica dei cristalli per la quale il comportamento rispetto a coesione,
dilatabilità, conduttività elettrica, trazione, velocità di propagazione di calore, suono, luce, etc.
dipende dalla direzione considerata. E' legata all'intima struttura dei cristalli.
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Onde o particelle?
La natura della luce tornò di nuovo alla ribalta
quando Einstein, nel 1905, pubblicò un
importante lavoro in cui mostrava che bisognava
utilizzare un modello corpuscolare, e non
ondulatorio, per spiegare l’effetto fotoelettrico.
L’effetto fotoelettrico consiste nell’estrazione di
elettroni da un metallo ad opera di un fascio di
luce incidente avente una particolare lunghezza
d’onda.
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Effetto fotoelettrico
Einstein spiegò il fenomeno in questo modo: i corpuscoli di
luce, detti fotoni, urtano contro gli elettroni del metallo,
trasferendo loro energia e quantità di moto, così come avviene
negli urti a livello macroscopico.
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Conclusione: Sia onda che corpuscolo
Oggi le due interpretazioni, ondulatoria e corpuscolare,
coesistono: a ciascuna è assegnato il proprio ambito di validità.
In certe situazione la luce si comporta come un’onda,
in altre come una pioggia di corpuscoli chiamati fotoni.
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LA LUCE
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STORIA DELLA FISICA
La propagazione rettilinea dei raggi luminosi, studiata a lungo da
Isaac Newton, aveva indotto lo scienziato inglese a formulare un’ipotesi corpuscolare sulla natura della luce. I risultati presentati nella sua Ottica erano basati sull’assunto che la luce fosse composta
da piccoli granelli che, così come palline materiali, seguivano traiettorie rettilinee finché non urtavano contro qualcosa, rimbalzando e
producendo il noto fenomeno della riflessione. Questa concezione
fu dominante nella comunità scientifica per circa un secolo, nonoDoppia rifrazione in un cristallo di calcite:
stante importanti e fondate opposizioni.
nell’attraversare il cristallo il raggio di luce si
Diversi scienziati erano convinti che la luce avesse una natura onsdoppia in due raggi rifratti dando luogo a una
dulatoria, cioè che si dovesse rappresentare come un’onda che si
doppia immagine.
propaga piuttosto che come una particella che si sposta. C’erano
infatti fenomeni che la teoria corpuscolare non riusciva a spiegare, come la doppia rifrazione (o birifrangenza).
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L’ipotesi ondulatoria
Lo scienziato olandese Hans Christiaan Huygens, contemporaneo di Newton, era
fra quelli che sostenevano la natura ondulatoria della luce. Elaborò una teoria che
spiegava le leggi della riflessione e della rifrazione basandosi su un assunto oggi
noto come principio di Huygens. Tale principio spiegava tutti i fenomeni ottici noti
al tempo, compresa la doppia rifrazione e anche la propagazione rettilinea secondo raggi, che sembrava essere il punto di forza della teoria corpuscolare.
L’idea principale di Huygens era che ciascun punto della superficie di un fronte
d’onda sferico, generato da una sorgente primaria S, può essere considerato il centro di una nuova onda sferica secondaria Pi, in modo tale che istante per istante il
fronte d’onda risultante è tangente a ciascuna Pi.
La teoria ondulatoria
t
P1
P2
S
P3
P4
Per il principio di Huygens ciascun punto di un fronte
d’onda sferico è sorgente di onde sferiche.
La questione restava comunque aperta e la comunità scientifica propendeva ancora per l’ipotesi corpuscolare.
In effetti, in quanto onda, la luce avrebbe dovuto mostrare interferenza, ma nessuno era mai riuscito a produrre
un fenomeno interpretabile in tal modo. Solo nel 1801 ciò avvenne a opera di Thomas Young, che produsse figure
di interferenza a partire da luce proveniente da due piccoli forellini praticati a distanza ravvicinata su una lastra
opaca. L’esperimento di Young fu dunque decisivo per l’affermazione di una teoria ondulatoria della luce, la quale
guidò con successo l’indagine scientifica per tutto il XIX secolo.
Onde o particelle?
La natura della luce tornò di nuovo alla ribalta circa un secolo dopo, quando Einstein, nel 1905, pubblicò un importante lavoro con il quale mostrava che, per spiegare alcuni fenomeni allora incomprensibili, era necessario abbandonare la teoria ondulatoria e utilizzare un modello corpuscolare. Così come la doppia rifrazione creava problemi
alla teoria di Newton, l’effetto fotoelettrico metteva in crisi quella ondulatoria. Il fenomeno consiste nell’estrazione
di elettroni da un metallo a opera di un fascio di luce incidente avente una particolare lunghezza d’onda. Einstein
propose una spiegazione in termini di corpuscoli di luce, detti oggi fotoni, che urtano contro gli elettroni del metallo trasferendo loro energia e quantità di moto, così come avviene negli urti a livello macroscopico.
Oggi le due interpretazioni, ondulatoria e corpuscolare, coesistono: non si considera l’una errata rispetto all’altra,
ma a ciascuna è assegnato il proprio ambito di validità. Per esempio, per spiegare l’effetto fotoelettrico si utilizza il
modello corpuscolare, mentre per spiegare una figura di interferenza si ricorre al modello ondulatorio.
DOMANDA L’esperimento di Young è una pietra miliare della fisica. Perché l’interferenza della luce non viene
osservata comunemente? Rispondi in 10 righe.
2
Furrfu
La natura ondulatoria della luce
La luce
Quando un raggio di luce colpisce un prisma di vetro subisce, per rifrazione, una
scomposizione delle radiazioni che lo costituiscono generando uno spettro colorato.
Dopo una pioggia, le goccioline di acqua sospese nell'aria possono comportarsi da singoli
prismi scomponendo la luce del Sole con il risultato ben noto dell'arcobaleno.
Se la luce considerata è quella del Sole, per definizione bianca, con il prisma si ottengono
i 6 colori dell'arcobaleno, ossia violetto, blu, verde, giallo, arancione e rosso. L'indaco non
è un colore specifico ma una variante di blu, è per questo che i colori dell'arcobaleno
sono 6 e non 7.
I colori dal rosso al violetto sono quelli che fanno parte del cosiddetto spettro visibile,
cioè sono quella parte della luce che è visibile ai nostri occhi.
Fu Newton nel 1666 a scomporre la luce solare per primo con un prisma per studiarne le
proprietà. In tal modo ha dato vita alla spettroscopia, che analizza le radiazioni emesse
da una sorgente per comprenderne le proprietà fisiche e chimiche.
In realtà il Sole produce luce, ossia radiazione elettromagnetica, che va dai raggi gamma
fino alle onde radio ed il visibile è solo una piccolissima parte di tutto quello che invia
verso lo spazio, Terra compresa. Con λ (lambda) si indica la lunghezza d'onda, espressa
nella figura seguente in m e in nm (=nanometri ossia 10 -9 m) per lo spettro visibile.
Esistono 2 differenti tipi di spettri: di emissione e di assorbimento. Quelli di emissione
possono essere continui o a righe, quelli di assorbimento sono a righe.
1) Spettri di emissione continui.
In questi spettri sono presenti tutte le radiazioni in modo continuo e senza lacune, dal
violetto al rosso per quanto riguarda il visibile. Si ottengono da un solido o un liquido
incandescente, cioè riscaldato fino a quando inizia ad emettere luce, oppure da un gas
denso riscaldato, la luce prodotta viene fatta passare attraverso una fenditura e poi un
prisma, che la scompone in uno spettro continuo. Un esempio nella vita quotidiana ci
viene dalle lampade ad incandescenza, in cui un filamento di tungsteno è riscaldato e
portato appunto all'incandescenza tramite il passaggio di una corrente elettrica, la loro
emissione è in buona parte assimilabile a quella di un corpo nero, cioè generano uno
spettro di emissione continuo.
2) Spettri di emissione a righe.
Si ottengono usando come sorgente un gas rarefatto, cioè a densità e pressione
basse, che viene riscaldato o colpito da una scarica elettrica. Lo spettro prodotto dal
gas non è continuo ma a righe (sottili se il gas è formato da atomi, a bande se il gas è
formato da molecole) diversamente colorate e su uno sfondo nero.
Ogni elemento chimico della tavola periodica ha uno suo determinato spettro di
emissione a righe (ma anche di assorbimento, vedi avanti) che lo caratterizza, un po'
quello che valgono per noi esseri umani le impronte digitali, che sono segni distintivi ed
identificativi di una determinata persona. Tali spettri non si limitano al visibile ma
comprendono anche regioni esterne al rosso ed al violetto.
Sul seguente sito è possibile osservare, per tutti i tipi di atomi della tavola periodica, i
relativi spettri di emissione e di assorbimento compresi nel visibile. Usare Firefox ed
eventuali componenti aggiuntivi richiesti.
http://jersey.uoregon.edu/elements/Elements.html.
3) Spettri di assorbimento (a righe).
Si ottengono quando la luce viene fatta passare attraverso un gas a bassa pressione
e meno caldo della sorgente. In questo caso il gas assorbe solo alcune delle
radiazioni. Se poi la luce che ha attraversato il gas viene fatta passare attraverso un
prisma, si ottiene uno spettro di assorbimento caratterizzato dal presentare uno sfondo
colorato dal rosso al violetto interrotto da righe nere, che corrispondono alle radiazioni
assorbite dal gas. In definitiva lo spettro di assorbimento è il negativo dello spettro di
emissione per uno stesso elemento chimico e consente di identificarlo. Gli spettri
emessi dalle stelle sono in gran parte di assorbimento: infatti la radiazione viene
prodotta nel nucleo della stella, a seguito del processo di fusione termonucleare, e poi
raggiunge lo spazio esterno dopo aver attraversato i gas che compongono l'atmosfera
della stella. Quindi dall'esame degli spettri di assorbimento possiamo conoscere in modo
molto accurato la composizione chimica dell'atmosfera di una qualsiasi stella senza la
necessità di esami diretti che, viste le distanze esistenti, al momento e, forse, per
sempre, sono impossibili. Anche la luce solare scomposta da un prisma, se esaminata a
fondo, non produce uno spettro di emissione ma di assorbimento, pertanto non
continuo ma a righe.
Lo spettrografo è uno strumento utilizzato in astronomia per ottenere e quindi
esaminare gli spettri delle stelle.
Spettro di emissione nel visibile dell'atomo di idrogeno (H).
Spettro di assorbimento nel visibile dell'atomo di idrogeno (H).
Spettro di emissione nel visibile dell'atomo di sodio (Na).
Spettro di assorbimento nel visibile dell'atomo di sodio (Na).
Bibliografia utilizzata
Geografia generale di C. Pignocchino Feyles e I. Neviani Ed. SEI
prof. Luigi Cenerelli a.s. 2015-2016
