LE TEORIE SULLA
NATURA DELLA LUCE
LE RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE
L'umanità si è sempre interrogata sulla natura della luce (che
costituisce una piccola parte dello spettro delle Radiazioni ElettroMagnetiche); in epoca moderna si sono sviluppate due teorie
apparentemente contrapposte:
La teoria ondulatoria
La teoria corpuscolare
TEORIA ONDULATORIA DELLA LUCE
1678 Christiaan Huygens: la luce si propaga come un'onda
1873 James Clerk Maxwell: la luce è una forma di energia radiante, che
si propaga nello spazio per mezzo di onde elettromagnetiche
LE RADIAZIONI E.M.
L' energia radiante è generata da cariche elettriche in
movimento, che provocano l'oscillazione di un campo
magnetico ed uno elettrico
L' oscillazione avviene su due piani perpendicolari tra di loro
L' intersezione dei due piani coincide con la direzione di
propagazione della radiazione
La velocità nel vuoto è: c = 299 792 458 m/s
LE RADIAZIONI E.M.
L'energia radiante si propaga nello spazio circostante in tutte le
direzioni con un movimento ondulatorio
Il movimento ondulatorio di una r.e.m. viene descritto da una curva
sinusoidale
LE ONDE E.M.
I parametri che caratterizzano un'onda sono:
Ampiezza (A): altezza massima dell'onda
Periodo (T): tempo impiegato per compiere una oscillazione
completa
Frequenza (ν):numero di oscillazioni al secondo (ν = 1/T)
Lunghezza d'onda (λ): spazio percorso nel tempo di un periodo
( v= λ∙ν )
LE ONDE E.M.
Nella teoria ondulatoria l'intensità di una radiazione è proporzionale
al quadrato della sua ampiezza:
I = k∙A2
dove I = E/t∙S = energia che arriva sull'unità di superficie in un secondo
PROFILO TEMPORALE DI UN'ONDA
Se si segue nel tempo l'andamento dell'ampiezza dell'onda in un dato
punto, nel grafico risultante il periodo è dato dalla distanza tra due
creste:
LO SPETTRO ELETTROMAGNETICO
La luce visibile dall'occhio umano costituisce solo una piccola parte
dello spettro delle radiazioni elettromagnetiche:
Energia
Frequenza [Hz]
10-8
103
10-6
10-4
10-2
1
102
=c/
10-3
Infrasuoni
Suoni
(udibile)
Ultrasuoni
Radio
104
Lunghezza d’onda [m]
E = h
1
Infrarosso
NMR
10-10
106
Televisione
10-12
1010
Visibile
Ultravioletto
Visibile
Raggi X
10-14
Raggi gamma
Raggi cosmici
Ultravioletto
1015 1014
Radar
1017
Microonde
1019
Infrarosso
1022
106
108
1010
SPETTRO DELLE R.E.M.
RADIAZIONI POLICROMATICHE
R.e.m. con un solo valore di frequenza sono dette monocromatiche
Un fascio di radiazioni monocromatiche di λ diverse costituisce una
radiazione policromatica
La luce bianca è formata da radiazioni monocromatiche di colore
diverso:
INTERFERENZA
Un comportamento tipico dei fenomeni ondulatori dato dalle r.e.m. è
l'interferenza: quando due o più radiazioni monocromatiche
percorrono lo stesso mezzo nella stessa direzione possono verificarsi
tre casi:
Le onde sono in concordanza di fase (rafforzamento), aumentano
ampiezza ed intensità
Le onde sono in opposizione di fase (interferenza totale),non c'è onda
finale
Nel caso intermedio l'onda finale ha un'ampiezza A sempre minore
della somma di quelle d'origine
INTERFERENZA
TEORIA CORPUSCOLARE
1704 Isaac Newton: la luce è fatta di corpuscoli
1900 Max Planck: teoria dei quanti (la materia emette e assorbe
energia in modo discontinuo)
1905 Albert Einstein: effetto fotoelettrico
TEORIA CORPUSCOLARE
Alcuni fenomeni riguardanti la fotochimica, l'emissione o l'assorbimento
di radiazioni da parte di un corpo nero e l'effetto fotoelettrico
evidenziano che l'energia delle r.e.m. non dipende dalla loro intensità,
ma dalla loro frequenza:
E = h∙ν
h = 6,626∙10-34 J∙s
equazione di Planck
costante di Planck
e che la materia è in grado di emettere od assorbire energia in modo
discontinuo, per multipli di una quantità elementare:
il quanto di energia (chiamato fotone da Gilbert N. Lewis )
EFFETTO FOTOELETTRICO
L'effetto fotoelettrico è l'emissione di elettroni da una superficie,
solitamente metallica, quando viene colpita da una radiazione
elettromagnetica
Contrariamente a quanto predetto dalla teoria ondulatoria,
l'emissione di elettroni non avviene se la ν è inferiore ad un valore
minimo detto frequenza di soglia fotoelettrica, qualunque sia
l'intensità della radiazione
EFFETTO FOTOELETTRICO
L'energia degli elettroni espulsi è indipendente dall'intensità della
radiazione, ma dipende solo dalla sua frequenza.
L'effetto fotoelettrico evidenzia quindi la natura quantistica della luce:
infatti nelle r.e.m. l'energia non è distribuita in modo uniforme sull'intero
fronte dell'onda, ma è concentrata in singoli quanti di energia, i fotoni, ed
ogni fotone interagisce singolarmente con un elettrone, al quale cede la sua
energia:
NATURA DUALISTICA ONDA- PARTICELLA
Alcuni fenomeni ottici ( riflessione, rifrazione, interferenza,
diffrazione etc) trovano l'esatta interpretazione tramite la teoria
ondulatoria
Altri fenomeni ottici ( emissione del corpo nero, effetto fotoelettrico
etc) trovano l'esatta interpretazione tramite la teoria corpuscolare
è necessario ammettere una natura dualistica dell'energia
radiante: è sia onda che particella
FINE
