Piero Scotto
La luce in fisica – 1ª parte
La luce in fisica
Nella foto: un prisma scompone la luce bianca
Il termine luce (dal latino, lux, lucis) si riferisce alla piccola porzione dello spettro elettromagnetico
visibile dall'occhio umano, ed è approssimativamente compresa tra 400 e 700 nanometri di
lunghezza d'onda, ovvero tra 750 e 428 THz di frequenza.
c
f
(Il lux (simbolo lx) è l'unità di misura per l'illuminamento del Sistema Internazionale. Un lux è pari
a un lumen fratto un metro quadrato)
Questo intervallo coincide con la regione di massima emissione da parte del sole. I limiti dello
spettro visibile all'occhio umano non sono uguali per tutte le persone, ma variano soggettivamente
di alcune decine di nanometri.
La luce, come tutte le onde elettromagnetiche, interagisce con la materia. I fenomeni più comuni
osservabili sono: l'assorbimento, la trasmissione, la riflessione, la rifrazione e la diffrazione.
Sebbene nell'elettromagnetismo classico la luce sia descritta come un'onda, l'avvento della
meccanica quantistica agli inizi del XX secolo ha permesso di capire che questa possiede anche
proprietà tipiche delle particelle. Nella fisica moderna la luce (e tutta la radiazione elettromagnetica)
viene descritta come composta da quanti del campo elettromagnetico chiamati fotoni.
Nella foto fasci di luce solare che filtrano tra le nubi
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Teorie sulla luce
Molteplici sono state le teorie formulate, nel corso del tempo, per spiegare il fenomeno luminoso ed
i comportamenti della luce.
Teoria corpuscolare
Formulata da Isaac Newton nel XVII secolo. La luce veniva vista come composta da piccole
particelle di materia (corpuscoli) emesse in tutte le direzioni. Questa teoria spiegava molto
facilmente alcune caratteristiche della propagazione della luce che erano ben note all'epoca di
Newton ( secondo la meccanica galileiana)
La spiegazione della rifrazione era leggermente più complicata ma tutt'altro che impossibile:
bastava infatti pensare che le particelle incidenti sul materiale rifrangente subissero, ad opera di
questo, delle forze perpendicolari alla superficie che ne cambiassero la traiettoria.
I colori dell'arcobaleno venivano spiegati tramite l'introduzione di un gran numero di corpuscoli di
luce diversi (uno per ogni colore) ed il bianco era pensato come formato da tante di queste
particelle. La separazione dei colori ad opera, ad esempio, di un prisma poneva qualche problema
teorico in più perché le particelle di luce dovrebbero avere proprietà identiche nel vuoto ma diverse
all'interno della materia.
Una conseguenza della teoria corpuscolare della luce è che questa, per via dell'accelerazione
gravitazionale, aumenti la sua velocità quando si propaga all'interno di un mezzo.
Teoria ondulatoria
Formulata da Christiaan Huygens alla fine nel 1678 la luce veniva vista come un'onda che si
propaga (in maniera del tutto simile alle onde del mare o a quelle acustiche) in un mezzo, chiamato
etere, che si supponeva pervadere tutto l'universo ed essere formato da microscopiche particelle
elastiche. La teoria ondulatoria della luce permetteva di spiegare (anche se in maniera
matematicamente complessa) un gran numero di fenomeni: oltre alla riflessione ed alla rifrazione,
Huygens riuscì infatti a spiegare anche il fenomeno della birifrangenza nei cristalli di calcite (vedi
foto sotto)
Nel 1801 Thomas Young dimostrò come i fenomeni della diffrazione e dell'interferenza fossero
interamente spiegabili dalla teoria ondulatoria e non lo fossero dalla teoria corpuscolare.
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Un problema della teoria ondulatoria era tuttavia la propagazione rettilinea della luce. Infatti era ben
noto che le onde sono capaci di aggirare gli ostacoli mentre è esperienza comune che la luce si
propaghi in linea retta (questa proprietà era già stata notata da Euclide nel suo Optica). Questa
apparente incongruenza può però essere spiegata assumendo che la luce abbia una lunghezza d'onda
microscopica.
Teoria elettromagnetica
Per la grandissima maggioranza delle applicazioni questa teoria è
ancora utilizzata al giorno d'oggi. Proposta da James Clerk Maxwell
alla fine del XIX secolo, sostiene che le onde luminose sono
elettromagnetiche e non necessitano di un mezzo per la trasmissione,
mostra che la luce visibile è una parte dello spettro elettromagnetico.
Con la formulazione delle equazioni di Maxwell vennero
completamente unificati i fenomeni elettrici, magnetici ed ottici.
Teoria quantistica
Per risolvere alcuni problemi sulla trattazione del corpo nero nel 1900
Max Planck ideò un artificio matematico, pensò che l'energia
associata ad una onda elettromagnetica non fosse proporzionale al
quadrato della sua ampiezza (come nel caso delle onde elastiche in
meccanica classica), ma direttamente proporzionale alla frequenza e
che la sua costante di proporzionalità fosse discreta e non continua.
L'interpretazione successiva che Albert Einstein diede dell'effetto
fotoelettronico (detto anche fotoelettrico: rappresenta l'emissione di
elettroni da una superficie, solitamente metallica, quando questa viene
colpita da una radiazione elettromagnetica avente una certa frequenza)
incanalò il pensiero dei suoi contemporanei verso una nuova strada. Si
cominciò a pensare che quanto fatto da Planck non fosse un mero
artificio matematico, ma piuttosto l'interpretazione di una nuova struttura fisica, cioè che la natura
della luce potesse avere un qualche rapporto con una forma discreta di alcune sue proprietà. Si
cominciò a parlare di pacchetti discreti di energia, battezzati fotoni. Con l'avvento delle teorie
quantistiche dei campi (ed in particolare dell'elettrodinamica quantistica) il concetto di fotone venne
formalizzato ed oggi sta alla base dell'ottica quantistica.
La velocità della luce
La luce si propaga a una velocità finita. Anche gli osservatori in movimento misurano sempre lo
stesso valore di c, la velocità della luce nel vuoto, dove c = 299 792 458 m/s. Nell'uso comune,
questo valore viene arrotondato a 300 000 km/s.
Quando la luce passa attraverso una sostanza trasparente, come l'aria, l'acqua o il vetro, la sua
velocità si riduce e la luce è sottoposta a rifrazione.
Ottica
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Lo studio della luce e dell'interazione tra luce e materia è detto ottica. L'osservazione e lo studio dei
fenomeni ottici, come ad esempio l'arcobaleno offre molti indizi sulla natura della luce.
Dualismo onda-particella
L'espressione dualismo onda-particella si riferisce al fatto che le
particelle elementari, come l'elettrone o il fotone, mostrano una
duplice natura, sia corpuscolare sia ondulatoria. Tale evidenza nasce
dall'interpretazione di alcuni esperimenti compiuti all'inizio del XX
secolo. L'effetto fotoelettronico (fu Einstein nel 1905 a darne
l'interpretazione corretta, per la quale ricevette il Premio Nobel per
la fisica nel 1921), per esempio, suggeriva una natura corpuscolare
per la luce, che d'altra parte manifestava proprietà chiaramente
ondulatorie in altri casi, per esempio nel fenomeno della diffrazione,
che non era spiegabile ricorrendo all'ipotesi corpuscolare.
Il paradosso era evidente prima della formulazione completa della
meccanica quantistica, quando finalmente si riesce a descrivere i due
aspetti in maniera unificata.
Digressione sulle onde elettromagnetiche.
Per casa: Fare sintesi (400 – 600 parole) dal titolo:
“Dalla teorizzazione delle onde elettromagnetiche alla nascita della radiotelegrafia senza fili”
http://www2.ing.unipi.it/~d8328/documenti/sat/Miatesi/storia_elet.htm
www.fgm.it/site/upload/Maxwell-Hertz-Marconi.pdf (da pag. 1 a pag. 4)
Inviare a [email protected]
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