Luce

Teoria corpuscolare

Prima di immergerci completamente nella teoria ondulatoria della luce, accenniamo brevemente a quella che è la teoria corpuscolare.

Tra la fine del Seicento e l'inizio del Settecento, Isaac Newton formulò una sua teoria per spiegare i fenomeni della luce che si possono osservare quotidianamente. Secondo Newton, la luce sarebbe stata composta da tanti piccoli corpuscoli (chiamati fotoni) che vengono liberati dai corpi luminosi.

La teoria corpuscolare era in grado di spiegare un certo numero di fenomeni (riflessione, i colori, in parte la dispersione della lcue), ma non riusciva a coprire fenomeni più complessi che richiedevano una visione completamente diversa della luce, come la rifrazione (parzialmente spiegabile, ma in maniera molto complessa) o i fenomeni di interferenza.

Teoria ondulatoria

Abbiamo affermato che la luce è un'onda, suggerendo che ogni raggio di luce dovrebbe avere una lunghezza d'onda associata e viaggiare in linea retta.

Le onde luminose possono avere lunghezze d'onda diverse, che determinano il colore della luce visibile che si osserva. Ciò significa che ogni volta che si osserva una bella rosa rossa in una giornata di sole, gli occhi percepiscono un riflesso di luce rossa dalla rosa, con una lunghezza d'onda di circa \(650 \:nm\).

Ora possiamo essere più precisi e dire che la natura della luce è quella di un'onda trasversale. Trasporta energia da un punto all'altro, proprio come fanno tutte le onde che si muovono da un luogo a un altro. La parola trasversale è semplicemente un riferimento al fatto che i campi elettrici e magnetici oscillano (ondeggiano), da cui il termine elettromagnetico.

Dispersione della luce

La luce bianca, come quella del sole, è costituita da tutte le lunghezze d'onda della luce visibile. Lo sappiamo perché la luce presenta una proprietà chiamata dispersione quando passa attraverso un prisma di vetro, come mostrato nella figura seguente.

Fig. 1 - La luce bianca, quando attraversa un mezzo di dispersione (come in questo caso un prisma) viene divisa nelle varie lunghezze d'onda.

La luce bianca, una volta dispersa, ci dà tutti i colori dello spettro elettromagnetico visibile, che è quello che si vede in un arcobaleno. La luce rossa ha una lunghezza d'onda di circa \(700\: nm\) (\(700\cdot 10^{-9} \: m\)), mentre la luce viola, all'estremità opposta dello spettro elettromagnetico, ha una lunghezza d'onda di circa 380 nanometri.

Velocità della luce

Tutte le onde che si spostano possono essere considerate essenzialmente come oscillazioni in movimento che trasportano energia. Ciò significa che le onde luminose fanno eccezione e, se la luce è in movimento, deve avere una velocità. Si è scoperto che la luce non solo ha una velocità, ma che è anche la massima velocità raggiungibile nell'universo. La velocità della luce nello spazio libero, \(c\), è di circa 300 milioni di metri al secondo (\(3,00\cdot 10^8\:m/s\)), questo numero è una costante fondamentale ed è essenzialmente il limite di velocità dell'universo.

Velocità della luce: formula

Questa affermazione ci dice che, indipendentemente dal colore (o dalla lunghezza d'onda) della luce, la sua velocità è sempre la stessa. Tuttavia, dall'argomento delle onde sappiamo che la velocità di un'onda \(v\), o in questo caso \(c\), può essere scritta come segue:

\[ velocità = frequenza \times lunghezza \: d'onda\] \[c=f\lambda\]

In questo caso, sappiamo che la lunghezza d'onda della luce è \(\lambda\) e la frequenza dell'onda è \(f\). Pertanto, per mantenere \(c\) costante, la lunghezza d'onda e la frequenza dell'onda devono essere inversamente proporzionali (cioè, un aumento dell'una porta a una diminuzione dell'altra e viceversa).

Usiamo questa equazione per trovare la lunghezza d'onda della luce rossa nel seguente esempio.

Proprietà della luce

Le proprietà delle onde luminose sono numerose, ma ne discuteremo in dettaglio due: la riflessione e la rifrazione. Si tratta di due delle proprietà più importanti della luce, che possono essere utilizzate per effettuare osservazioni di oggetti lontani nell'universo. Per una trattazione più completa, su StudySmarter abbiamo spiegazioni dedicate a rifrazione, diffrazione e interferenza!

Riflessione della luce

Abbiamo già detto che il colore di una rosa è dovuto alla riflessione della luce visibile dalla rosa stessa. La riflessione è una proprietà del moto ondulatorio esibita dalla luce visibile. La riflessione si verifica quando la luce che viaggia attraverso un certo mezzo è incidente su un bordo tra due mezzi, e la luce "rimbalza" sul bordo o cambia direzione quando colpisce il bordo e prosegue nel mezzo originale. Per un'illustrazione di questo fenomeno, si veda il diagramma seguente:

Fig. 2 - Un raggio di luce che attraversa l'aria incide su uno specchio, viene riflesso cambiando direzione.

Si può notare che l'angolo rispetto allo specchio piano è lo stesso sia per il raggio incidente sia per il raggio riflesso. Immaginate di trovarvi sulla traiettoria del raggio riflesso e sostituite lo specchio piano con un tranquillo lago blu. Il lago riflette i raggi di luce visibile provenienti dal cielo (nuvole e tutto il resto) e invia i raggi riflessi nei vostri occhi: ecco perché potete vedere il cielo sopra di voi guardando in basso.

Rifrazione della luce

La rifrazione è un'altra proprietà del moto ondoso che si manifesta con la luce visibile. Si verifica quando i raggi luminosi si spostano da un mezzo a un altro e, nel farlo, cambiano direzione e velocità. Questo fenomeno è illustrato dalla freccia rossa nella figura seguente.

Fig. 3 - Un raggio di luce incide sul bordo tra due mezzi. Viene rifratto e cambia direzione, muovendosi lungo la freccia rossa.

I tipi di mezzi e la lunghezza d'onda (colore) della luce incidente determinano la misura in cui un raggio di luce viene rifratto quando si muove tra i mezzi. La rifrazione è il motivo per cui gli oggetti in una piscina o in un lago profondo sembrano più vicini alla superficie di quanto non siano in realtà. Questo fenomeno è chiamato profondità apparente.

Altre proprietà della luce

La riflessione e la rifrazione non sono le uniche proprietà delle onde luminose, ma sono due delle più importanti. Altre proprietà della luce sono l'interferenza, la diffrazione, la polarizzazione, la diffusione e la dispersione. Come per la profondità apparente, l'approfondimento di ognuna di queste proprietà ci permetterà di capire i fenomeni che viviamo quotidianamente ma che non riusciamo a spiegare.