Luce

Un prisma scompone la luce

Il termine luce (dal latino, lux, lucis) si riferisce alla 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. 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 e possono raggiungere i 380 nanometri, avvicinandosi agli ultravioletti, e i 730 nanometri avvicinandosi agli infrarossi.

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 e di spiegare fenomeni come l’effetto Compton. Nella fisica moderna la luce (e tutta la radiazione elettromagnetica) viene descritta come composta da quanti del campo elettromagnetico chiamati fotoni.

fasci di luce solare che filtrano tra le nubi

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. Oltre che essere matematicamente molto semplice (molto più della teoria ondulatoria) questa teoria spiegava molto facilmente alcune caratteristiche della propagazione della luce che erano ben note all’epoca di Newton.

Innanzitutto la meccanica galileiana prevede, correttamente, che le particelle (inclusi i corpuscoli di luce) si propaghino in linea retta ed il fatto che questi fossero previsti essere molto leggeri era coerente con una velocità della luce alta ma non infinita. Anche il fenomeno della riflessione poteva essere spiegato in maniera semplice tramite l’urto elastico della particella di luce sulla superficie riflettente.

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 nel 1678 ma pubblicata solo nel 1690 nel Traité de la Lumière. 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.

Nel 1801 Thomas Young dimostrò come i fenomeni della diffrazione (osservato per la prima volta Francesco Maria Grimaldi nel 1665) e dell’interferenza fossero interamente spiegabili dalla teoria ondulatoria e non lo fossero dalla teoria corpuscolare.

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.

Al contrario della teoria corpuscolare, quella ondulatoria prevede che la luce si propaghi più lentamente all’interno di un mezzo che nel vuoto; restano ambiguità.

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 frequenza (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 fotoelettrico 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.

La velocità della luce è stata misurata molte volte da numerosi fisici. Il primo tentativo di misura venne compiuto da Galileo Galilei con l’ausilio di lampade oscurabili ma la rudimentalità dei mezzi disponibili non permise di ottenere alcun valore. La migliore tra le prime misurazioni venne eseguita da Olaus Roemer (un fisico danese), nel 1676. Egli sviluppò un metodo di misurazione, osservando Giove e una delle sue lune con un telescopio. Grazie al fatto che la luna veniva eclissata da Giove a intervalli regolari, calcolò il periodo di rivoluzione della luna in 42,5 ore, quando la Terra era vicina a Giove. Il fatto che il periodo di rivoluzione si allungasse quando la distanza tra Giove e Terra aumentava, poteva essere spiegato assumendo che la luce impiegava più tempo a coprire la distanza Terra-Giove, ipotizzando quindi, una velocità finita per essa. La velocità della luce venne calcolata analizzando la distanza tra i due pianeti in tempi differenti. Roemer calcolò una velocità di 227 326 km/s.

Albert A. Michelson migliorò il lavoro di Roemer nel 1926. Usando uno specchio rotante, misurò il tempo impiegato dalla luce per percorrere il viaggio di andata e ritorno dal monte Wilson al monte San Antonio in California. La misura precisa portò a una velocità di 299 796 km/s.

Questo esperimento in realtà misurò la velocità della luce nell’aria. Infatti, quando la luce passa attraverso una sostanza trasparente, come l’aria, l’acqua o il vetro, tuttavia, la sua velocità viene ridotta e la luce è sottoposta a rifrazione (il suo valore è dato dall’indice di rifrazione, solitamente indicato con n). In altre parole, n = 1 nel vuoto e n > 1 nella materia. L’indice di rifrazione dell’aria di fatto è molto vicino a 1, e in effetti la misura di Michelson è un’ottima approssimazione di c.

Ottica

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.

Colori e lunghezze d’onda

Le differenti lunghezze d’onda vengono interpretate dal cervello come colori, che vanno dal rosso delle lunghezze d’onda più ampie (minore frequenza), al violetto delle lunghezze d’onda più brevi (maggiore frequenza). Ci preme, tuttavia sottolineare, che non a tutti i colori possiamo associare una lunghezza d’onda. Spesso questo aspetto non viene sottolineato e si diffonde l’errata convinzione, inconsapevolmente foraggiata anche da immagini come quelle presenti in codesta pagina, che ci sia una relazione biettiva tra un colore e una lunghezza d’onda. In realtà, è vero che ad ogni lunghezza d’onda è associabile un colore, ma non è vero il contrario. Quei colori a cui non sono associate lunghezze d’onda, sono invece generati dal meccanismo di funzionamento del nostro apparato visivo (cervello+occhio). In particolare i coni, cellule della retina responsabili della visione del colore, si differenziano in tre tipi perché sensibili a tre diverse regioni spettrali della luce. Quando, ad esempio, due diverse onde monocromatiche, appartenenti a due regioni diverse di cui prima, sollecitano contemporaneamente l’occhio, il nostro cervello interpreta la sollecitazione come un nuovo colore, “somma” dei due originari.

Le frequenze immediatamente al di fuori dello spettro percettibile dall’occhio umano vengono chiamate ultravioletto (UV), per le alte frequenze, e infrarosso (IR) per le basse. Anche se gli esseri umani non possono vedere l’infrarosso, esso viene percepito dai recettori della pelle come calore. Telecamere in grado di captare i raggi infrarossi e convertirli in luce visibile, vengono chiamati visori notturni. La radiazione ultravioletta non viene percepita dagli esseri umani, se non in maniera molto indiretta, in quanto la sovraesposizione della pelle ai raggi UV causa scottature. Alcuni animali, come le api, riescono a vedere gli ultravioletti; altri invece riescono a vedere gli infrarossi.

Lunghezze d’onda della luce visibile

La luce visibile è una porzione dello spettro elettromagnetico compresa approssimativamente tra i 400 e i 700 nanometri (nm) (nell’aria). La luce è anche caratterizzata dalla sua frequenza. Frequenza e lunghezza d’onda obbediscono alla seguente relazione: l=v/f (dove l è la lunghezza d’onda, v è la velocità nel mezzo considerato – nel vuoto in genere si indica con c – , f è la frequenza della radiazione).

Grandezze misurabili

Di seguito sono riportate quantità o unità di misura legate a fenomeni luminosi:

• Tonalità (o temperatura)
• luminosità
• illuminamento (unità SI: lux)
• flusso luminoso (unità SI: lumen)
• intensità luminosa (unità SI: candela)

Sorgenti di luce

• radiazione termica
  • Lampade ad incandescenza
  • luce solare
  • fuoco
  • Qualsiasi corpo ad di sopra di una certa temperatura (cioè incandescente, ad es. metallo fuso)
• emissione spettrale atomica (la fonte di emissione può essere stimolata o spontanea)
  • laser e maser (emissione stimolata)
  • LED (light emitting diode)
  • lampade a scarica di gas (insegne al neon, lampade al mercurio, etc)
  • fiamme dei gas
• accelerazione di una particella dotata di carica (solitamente un elettrone)
  • radiazione ciclotronica
  • Bremsstrahlung
  • Effetto Čerenkov
  • luce di sincrotrone
• chemioluminescenza
• fluorescenza
• fosforescenza
  • tubo catodico
• bioluminescenza
• sonoluminescenza
• triboluminescenza
• radioattività
• annichilazione particella-antiparticella