LUCE: STORIA, NATURA, COMPORTAMENTO, PROPAGAZIONE - FISICO - 2025

La luce è un'onda elettromagnetica che può essere rilevata dal senso della vista. Costituisce una parte dello spettro elettromagnetico: la cosiddetta luce visibile. Negli anni sono state proposte varie teorie per spiegarne la natura.

Ad esempio, la convinzione che la luce consistesse in un flusso di particelle emesse da oggetti o dagli occhi degli osservatori è stata a lungo sostenuta. Questa convinzione degli arabi e degli antichi greci fu condivisa da Isaac Newton (1642-1727) per spiegare i fenomeni della luce.

Figura 1. Il cielo è blu grazie alla dispersione della luce solare nell'atmosfera. Fonte: Pixabay.

Sebbene Newton arrivò a sospettare che la luce avesse qualità ondulatorie e Christian Huygens (1629-1695) riuscì a spiegare la rifrazione e la riflessione con una teoria ondulatoria, la credenza della luce come particella era diffusa tra tutti gli scienziati fino all'inizio del XIX secolo. .

All'alba di quel secolo, il fisico inglese Thomas Young dimostrò oltre ogni dubbio che i raggi di luce possono interferire tra loro, proprio come fanno le onde meccaniche nelle corde.

Ciò potrebbe solo significare che la luce era un'onda e non una particella, sebbene nessuno sapesse che tipo di onda fosse fino a quando nel 1873 James Clerk Maxwell affermò che la luce era un'onda elettromagnetica.

Con il supporto dei risultati sperimentali di Heinrich Hertz nel 1887, la natura ondulatoria della luce fu stabilita come un fatto scientifico.

Ma all'inizio del XX secolo sono emerse nuove prove sulla natura corpuscolare della luce. Questa natura è presente nei fenomeni di emissione e assorbimento, in cui l'energia luminosa viene trasportata in pacchi chiamati “fotoni”.

Quindi, poiché la luce si propaga come un'onda e interagisce con la materia come una particella, una doppia natura è attualmente riconosciuta nella luce: onda-particella.

Natura della luce

È chiaro che la natura della luce è duplice, si propaga come un'onda elettromagnetica, la cui energia arriva in fotoni.

Questi, che non hanno massa, si muovono nel vuoto con una velocità costante di 300.000 km / s. È la velocità nota della luce nel vuoto, ma la luce può viaggiare attraverso altri mezzi, anche se a velocità diverse.

Quando i fotoni raggiungono i nostri occhi, si attivano i sensori che rilevano la presenza di luce. L'informazione viene trasmessa al cervello e lì interpretata.

Quando una sorgente emette un gran numero di fotoni, la vediamo come una sorgente luminosa. Se, al contrario, ne emette poche, viene interpretata come una sorgente opaca. Ogni fotone ha una certa energia, che il cervello interpreta come un colore. Ad esempio, i fotoni blu sono più energetici dei fotoni rossi.

Ogni sorgente generalmente emette fotoni di energie diverse, da qui il colore con cui viene vista.

Se non altro emette fotoni con un unico tipo di energia, si chiama luce monocromatica. Il laser è un buon esempio di luce monocromatica. Infine, la distribuzione dei fotoni in una sorgente è chiamata spettro.

Un'onda è anche caratterizzata dall'avere una certa lunghezza d'onda. Come abbiamo detto, la luce appartiene allo spettro elettromagnetico, che copre una gamma estremamente ampia di lunghezze d'onda, dalle onde radio ai raggi gamma. L'immagine seguente mostra come un raggio di luce bianca disperde un prisma triangolare. La luce è separata in lunghezze d'onda lunghe (rosse) e corte (blu).

Nel mezzo c'è la stretta banda di lunghezze d'onda nota come spettro visibile, che va da 400 nanometri (nm) a 700 nm.

Figura 2. Lo spettro elettromagnetico che mostra la gamma di luce visibile. Fonte: fonte: Wikimedia Commons. Autore: Horst Frank.

Comportamento della luce

La luce ha un comportamento duale, ondoso e particellare come esaminato. La luce si propaga allo stesso modo di un'onda elettromagnetica e, come tale, è in grado di trasportare energia. Ma quando la luce interagisce con la materia, si comporta come un fascio di particelle chiamate fotoni.

Figura 4. Propagazione di un'onda elettromagnetica. Fonte: Wikimedia Commons. SuperManu.

Nel 1802, il fisico Thomas Young (1773-1829) dimostrò che la luce aveva un comportamento ondoso usando l'esperimento della doppia fenditura.

In questo modo è stato in grado di produrre la massima e la minima interferenza su uno schermo. Questo comportamento è tipico delle onde e quindi Young è stato in grado di dimostrare che la luce era un'onda ed è stato anche in grado di misurare la sua lunghezza d'onda.

L'altro aspetto della luce è quello di una particella, rappresentata da pacchetti di energia chiamati fotoni, che nel vuoto si muovono con velocità c = 3 x 10 ⁸ m / se non hanno massa. Ma hanno energia E:

E anche quantità di moto di grandezza:

Dove h è la costante di Planck, il cui valore è 6,63 x 10 ^-34 Joule.secondo ef è la frequenza dell'onda. Combinando queste espressioni:

E poiché la lunghezza d'onda λ e la frequenza sono correlate da c = λ.f, rimane:

Principio di Huygens

Figura 5. Fronte d'onda e raggi di luce che si propagano in linea retta. Fonte: Serway. R. Fisica per la scienza e l'ingegneria.

Quando si studia il comportamento della luce, ci sono due principi importanti da considerare: il principio di Huygens e il principio di Fermat. Il principio di Huygens afferma che:

Perché onde sferiche? Se assumiamo che il mezzo sia omogeneo, la luce emessa da una sorgente puntiforme si propagherà in tutte le direzioni allo stesso modo. Possiamo immaginare la luce che si propaga al centro di una grande sfera con i raggi distribuiti uniformemente. Chi osserva questa luce percepisce che viaggia in linea retta verso il suo occhio e si muove perpendicolarmente al fronte d'onda.

Se i raggi luminosi provengono da una sorgente molto distante, ad esempio il Sole, il fronte d'onda è piatto ei raggi sono paralleli. Questo è ciò che riguarda l'approccio dell'ottica geometrica.

Principio di Fermat

Il principio di Fermat afferma che:

Questo principio deve il suo nome al matematico francese Pierre de Fermat (1601-1665), che lo istituì per primo nel 1662.

Secondo questo principio, in un mezzo omogeneo la luce si propaga a velocità costante, quindi ha un moto rettilineo uniforme e la sua traiettoria è una linea retta.

Propagazione della luce

La luce viaggia come un'onda elettromagnetica. Sia il campo elettrico che il campo magnetico si generano a vicenda, costituendo onde accoppiate che sono in fase e sono perpendicolari tra loro e alla direzione di propagazione.

In generale, un'onda che si propaga nello spazio può essere descritta in termini di fronte d'onda. Questo è l'insieme di punti che hanno uguale ampiezza e fase. Conoscendo la posizione del fronte d'onda in un dato istante, è possibile conoscere qualsiasi posizione successiva, secondo il principio di Huygens.

Diffrazione

Laser diffratto da una fenditura esagonale. Lienzocian

Il comportamento ondulatorio della luce è chiaramente evidenziato da due importanti fenomeni che si verificano durante la sua propagazione: la diffrazione e l'interferenza. Nella diffrazione, le onde, sia dell'acqua, del suono o della luce, sono distorte quando passano attraverso le aperture, aggirano gli ostacoli o aggirano gli angoli.

Se l'apertura è grande rispetto alla lunghezza d'onda, la distorsione non è molto grande, ma se l'apertura è piccola, il cambiamento nella forma d'onda è più evidente. La diffrazione è una proprietà esclusiva delle onde, quindi quando la luce mostra diffrazione sappiamo che ha un comportamento ondoso.

Interferenza e polarizzazione

Da parte sua, l'interferenza della luce si verifica quando le onde elettromagnetiche che le compongono si sovrappongono. Nel fare ciò, vengono aggiunti vettorialmente e questo potrebbe dare origine a due tipi di interferenza:

–Costruttivo, quando l'intensità dell'onda risultante è maggiore dell'intensità dei componenti.

–Distruttivo se l'intensità è inferiore a quella dei componenti.

L'interferenza delle onde luminose si verifica quando le onde sono monocromatiche e mantengono sempre la stessa differenza di fase. Questa si chiama coerenza. Ad esempio, una luce come questa può provenire da un laser. Fonti comuni come le lampadine a incandescenza non producono luce coerente perché la luce emessa dai milioni di atomi nel filamento è in continua evoluzione di fase.

Ma se una tonalità opaca con due piccole aperture vicine l'una all'altra viene posta sulla stessa lampadina, la luce che esce da ciascuna fessura funge da fonte coerente.

Infine, quando le oscillazioni del campo elettromagnetico sono tutte nella stessa direzione, si verifica la polarizzazione. La luce naturale non è polarizzata, in quanto è composta da tante componenti, ognuna oscillante in una direzione diversa.

L'esperimento di Young

All'inizio del XIX secolo, il fisico inglese Thomas Young fu il primo a ottenere una luce coerente con una normale sorgente di luce.

Nel suo famoso esperimento a doppia fenditura, ha fatto passare la luce attraverso una fessura in uno schermo opaco. Secondo il principio di Huygens, vengono generate due sorgenti secondarie, che a loro volta sono passate attraverso un secondo schermo opaco con due fenditure.

Figura 6. Animazione dell'esperimento della doppia fenditura di Young. Fonte: Wikimedia Commons.

La luce così ottenuta illuminava una parete in una stanza buia. Ciò che era visibile era un motivo costituito dall'alternanza di aree chiare e scure. L'esistenza di questo modello è spiegata dal fenomeno di interferenza sopra descritto.

L'esperimento di Young è stato molto importante perché ha rivelato la natura ondulatoria della luce. Successivamente l'esperimento è stato condotto con particelle fondamentali come elettroni, neutroni e protoni, con risultati simili.

Fenomeni di luce

Riflessione

Riflessione della luce nell'acqua

Quando un raggio di luce colpisce una superficie, parte della luce può essere riflessa e parte assorbita. Se è un mezzo trasparente, parte della luce continua a attraversarlo.

Inoltre, la superficie può essere liscia, come uno specchio, o ruvida e irregolare. La riflessione che si verifica su una superficie liscia è chiamata riflessione speculare, altrimenti è riflessione diffusa o riflessione irregolare. Una superficie molto levigata, come uno specchio, può riflettere fino al 95% della luce incidente.

Riflesso speculare

La figura mostra un raggio di luce che viaggia in un mezzo, che può essere l'aria. Cade all'angolo θ ₁ su una superficie speculare piana e viene riflessa all'angolo θ ₂ . La linea indicata come normale è perpendicolare alla superficie.

L'angolo di incidenza è uguale all'angolo di riflessione. Fonte: Serway. R. Fisica per la scienza e l'ingegneria.

Sia il raggio incidente che quello riflesso e la normale alla superficie speculare si trovano sullo stesso piano. Gli antichi greci avevano già osservato che l'angolo di incidenza è uguale all'angolo di riflessione:

Questa espressione matematica è la legge di riflessione della luce. Tuttavia, anche altre onde come il suono, ad esempio, sono in grado di riflettere.

La maggior parte delle superfici sono ruvide e quindi la riflessione della luce è diffusa. In questo modo la luce che riflettono viene inviata in tutte le direzioni, così gli oggetti possono essere visti da qualsiasi luogo.

Poiché alcune lunghezze d'onda vengono riflesse più di altre, gli oggetti hanno colori diversi.

Ad esempio, le foglie degli alberi riflettono la luce che si trova approssimativamente al centro dello spettro visibile, che corrisponde al colore verde. Il resto delle lunghezze d'onda visibili vengono assorbite: dall'ultravioletto vicino al blu (350-450 nm) e alla luce rossa (650-700 nm).

Rifrazione

Fenomeno di rifrazione. Josell7

La rifrazione della luce avviene perché la luce viaggia a velocità diverse a seconda del mezzo. Nel vuoto, la velocità della luce è c = 3 x 10 ⁸ m / s, ma quando la luce raggiunge un mezzo materiale, si verificano processi di assorbimento ed emissione che fanno diminuire l'energia, e con essa la velocità.

Ad esempio, quando si muove nell'aria, la luce viaggia con velocità quasi uguale ac, ma nell'acqua la luce viaggia a tre quarti di c, mentre nel vetro viaggia a circa due terzi di c.

Indice di rifrazione

L'indice di rifrazione è indicato con n e definito come il quoziente tra la velocità della luce nel vuoto c e la sua velocità in detto mezzo v:

L'indice di rifrazione è sempre maggiore di 1, poiché la velocità della luce nel vuoto è sempre maggiore che in un mezzo materiale. Alcuni valori tipici di n sono:

-Aria: 1.0003

-Acqua: 1,33

-Vetro: 1.5

-Diamante: 2,42

Legge di Snell

Quando un raggio di luce colpisce obliquamente il confine tra due mezzi, come l'aria e il vetro, una parte della luce viene riflessa e un'altra parte continua il suo percorso all'interno del vetro.

In questo caso, la lunghezza d'onda e la velocità subiscono una variazione nel passaggio da un mezzo all'altro, ma non la frequenza. Poiché v = c / n = λ.f e anche nel vuoto c = λo. f, allora abbiamo:

Cioè, la lunghezza d'onda in un dato mezzo è sempre inferiore alla lunghezza d'onda nel vuoto λo.

Figura 8. Legge di Snell. Fonte: figura a sinistra: diagramma della rifrazione della luce. Rex, A. Fondamenti di fisica. Figura a destra: Wikimedia Commons. Josell7.

Nota i triangoli che hanno una comune ipotenusa in rosso. In ogni mezzo, l'ipotenusa misura λ ₁ / sin θ ₁ e λ ₂ / sin θ ₂ rispettivamente, poiché λ e v sono proporzionali, quindi:

Poiché λ = λ _o / n abbiamo:

Che può essere espresso come:

Questa è la formula della legge di Snell, in onore del matematico olandese Willebrord Snell (1580-1626), che la derivò sperimentalmente osservando la luce che passa dall'aria all'acqua e al vetro.

In alternativa, la legge di Snell è scritta in termini di velocità della luce in ciascun mezzo, facendo uso della definizione di indice di rifrazione: n = c / v:

Dispersione

Come spiegato sopra, la luce è composta da fotoni con energie diverse e ogni energia è percepita come un colore. La luce bianca contiene fotoni di tutte le energie e può quindi essere scomposta in luci colorate differenti. Questa è la diffusione della luce, che era già stata studiata da Newton.

Le gocce d'acqua nell'atmosfera si comportano come piccoli prismi. Fonte: Pixabay.

Newton prese un prisma ottico, fece passare un raggio di luce bianca e ottenne strisce colorate che andavano dal rosso al viola. Questa frangia è lo spettro della luce visibile visto nella Figura 2.

La dispersione della luce è un fenomeno naturale, la cui bellezza ammiriamo nel cielo quando si forma l'arcobaleno. La luce solare cade sulle goccioline d'acqua nell'atmosfera, che agiscono come minuscoli prismi simili a Newton, disperdendo così la luce.

Anche il colore blu con cui vediamo il cielo è una conseguenza della dispersione. Ricca di azoto e ossigeno, l'atmosfera disperde principalmente sfumature di blu e viola, ma l'occhio umano è più sensibile al blu e quindi vediamo il cielo di questo colore.

Quando il Sole è più basso all'orizzonte, durante l'alba o il tramonto, il cielo diventa arancione grazie al fatto che i raggi luminosi devono passare attraverso uno strato più spesso dell'atmosfera. I toni rossastri delle frequenze più basse interagiscono meno con gli elementi dell'atmosfera e ne approfittano per raggiungere direttamente la superficie.

Le atmosfere abbondanti di polvere e inquinamento, come quelle di alcune grandi città, hanno cieli grigiastri a causa della dispersione delle basse frequenze.

Teorie sulla luce

La luce è stata considerata principalmente come una particella o come un'onda. La teoria corpuscolare difesa da Newton considerava la luce come un fascio di particelle. Mentre la riflessione e la rifrazione potrebbero essere adeguatamente spiegate assumendo che la luce fosse un'onda, come sosteneva Huygens.

Ma molto prima di questi straordinari scienziati, le persone avevano già speculato sulla natura della luce. Tra questi non poteva mancare il filosofo greco Aristotele. Ecco un breve riassunto delle teorie della luce nel tempo:

Teoria aristotelica

2500 anni fa Aristotele affermava che la luce usciva dagli occhi dell'osservatore, illuminava gli oggetti e tornava in qualche modo con l'immagine in modo che potesse essere apprezzata dalla persona.

La teoria corpuscolare di Newton

Newton credeva che la luce fosse costituita da minuscole particelle che si propagano in linea retta in tutte le direzioni. Quando raggiungono gli occhi, registrano la sensazione come luce.

Teoria delle onde di Huygens

Huygens ha pubblicato un lavoro chiamato Trattato sulla luce in cui ha proposto che questo fosse un disturbo del mezzo simile alle onde sonore.

La teoria elettromagnetica di Maxwell

Sebbene l'esperimento della doppia fenditura non lasciò dubbi sulla natura ondulatoria della luce, per gran parte del diciannovesimo secolo ci furono speculazioni sul tipo di onda che fosse, fino a quando Maxwell dichiarò nella sua teoria elettromagnetica che la luce consisteva nel propagazione di un campo elettromagnetico.

La luce come onda elettromagnetica spiega i fenomeni di propagazione della luce come descritti nelle sezioni precedenti ed è un concetto accettato dalla fisica attuale, così come la natura corpuscolare della luce.

La teoria corpuscolare di Einstein

Secondo la moderna concezione della luce, è costituita da particelle prive di massa e prive di carica chiamate fotoni. Nonostante non abbiano massa, hanno slancio ed energia, come spiegato sopra. Questa teoria spiega con successo il modo in cui la luce interagisce con la materia, scambiando energia in quantità discrete (quantizzate).

L'esistenza dei quanti di luce è stata proposta da Albert Einstein per spiegare l'effetto fotoelettrico scoperto da Heinrich Hertz alcuni anni prima. L'effetto fotoelettrico consiste nell'emissione di elettroni da parte di una sostanza sulla quale è stato urtato un certo tipo di radiazione elettromagnetica, quasi sempre nell'intervallo dall'ultravioletto alla luce visibile.

Riferimenti

1. Figueroa, D. (2005). Serie: Fisica per la scienza e l'ingegneria. Volume 7. Onde e fisica quantistica. A cura di Douglas Figueroa (USB).
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9. Wikipedia. Luce. Estratto da: es.wikipedia.org.