La NATURA DELLA LUCE

Domande principali Che cos’è la luce? Di cosa è fatta? Una teoria dei fenomeni luminosi deve essere in grado, tra le altre cose, di spiegare: la propagazione in linea retta della luce perché la luce si riflette perché la luce si rifrange

Le due teorie sulla natura della luce A partire dalla seconda metà del Seicento, la domanda sulla natura della luce ha dato luogo ad una controversia scientifica che è durata per quasi due secoli. Due erano le teorie rivali: quella corpuscolare e quella ondulatoria.

Newton e la teoria corpuscolare La teoria corpuscolare venne formulata da Isaac Newton (1642 - 1727).

Huygens e la teoria ondulatoria La teoria ondulatoria fu formulata da Christian Huygens ( 1629 – 1695 )

La teoria corpuscolare Secondo la teoria corpuscolare, la luce è un insieme di minuscoli corpuscoli, i cosiddetti corpuscoli luce, che vengono emessi dalle sorgenti luminose. Tali corpuscoli si muovono ad una velocità molto elevata, che rende la forza di gravità trascurabile. Essi si muovono in linea retta, penetrano nei materiali trasparenti, rimbalzano come piccole palline sulle superfici e quando penetrano nel nostro occhio stimolano il senso della vista.

La teoria ondulatoria La teoria ondulatoria sostiene invece che la luce è un’onda. Essa consiste quindi in un trasferimento di energia e non di materia. Le sue proprietà sono simili a quelle delle onde elastiche, per esempio le onde che si propagano nell’acqua o le onde sonore.

La propagazione rettilinea secondo la teoria corpuscolare Le particelle di luce si muovono in linea retta così come fanno tutte le particelle materiali in assenza di forze. Pertanto, anche i corpuscoli luminosi seguono il principio di inerzia.

Einstein e la propagazione rettilinea della luce Scrive Einstein: “Uno dei fatti ottici più elementari è che la luce si propaga in linea retta. Un esperimento rudimentale lo dimostra. Collochiamo uno schermo munito di un foro davanti ad una sorgente luminosa puntiforme. S’intende per tale una piccolissima sorgente luminosa, come ad esempio una minuscola apertura in una lanterna chiusa. Su una parete, situata ad una certa distanza dallo schermo, l’apertura nel medesimo ci apparirà come un’area luminosa, nettamente delimitata, sopra uno sfondo scuro.” (L’evoluzione della fisica)

Foto della propagazione rettilinea della luce (1)

Foto della propagazione rettilinea della luce (2)

La riflessione secondo la teoria corpuscolare Il corpuscolo – luce rimbalza contro una superficie solida e piana esattamente come fa una palla durante l’urto elastico contro una superficie. Anche in quest’ultimo caso l’angolo di incidenza è uguale all’angolo di riflessione.

Einstein ed il fenomeno della riflessione della luce Dice Einstein: “Anche la riflessione della luce prodotta dagli specchi viene spiegata dalla teoria corpuscolare assai semplicemente e per analogia con quanto si osserva nell’esperimento meccanico di palle elastiche lanciate contro una superficie solida e piana.” (L’evoluzione della fisica)

La rifrazione secondo la teoria corpuscolare (1) Consideriamo una particella di luce che passa da un mezzo meno denso ad uno più denso. Per spiegare l’avvicinamento alla normale, la teoria corpuscolare suppone che la particella, quando incontra la superficie di separazione, subisca una forza perpendicolare ad essa.

La rifrazione secondo la teoria corpuscolare (2) La forza produce un’accelerazione e quindi una variazione di velocità v rivolta verso l’interno del mezzo più denso. La velocità della particella di luce si piega verso la normale ed il suo valore aumenta. La teoria corpuscolare prevede quindi che nel passaggio da un mezzo meno denso ad uno più denso la velocità della luce aumenti.

Einstein e la legge della rifrazione della luce Einstein dice: “La spiegazione della rifrazione è alquanto più complicata. Tuttavia la possibilità di una rappresentazione meccanica è manifesta, anche senza entrare in tutti i dettagli. Se ad esempio dei corpuscoli di luce colpiscono una superficie di vetro, è plausibile che subiscano gli effetti di una forza esercitata su di essi dalle particelle materiali, ancorché possa sembrare strano che tale forza agisca soltanto nelle immediate vicinanze della materia. Come già sappiamo, ogni forza agente su una particella in movimento ne modifica la velocità. Riducendo la forza esercitata sui corpuscoli luminosi a un’attrazione perpendicolare alla superficie del vetro, il moto risultante seguirà una via intermedia tra la direzione originale e la perpendicolare.”

La propagazione rettilinea secondo la teoria ondulatoria Le onde circolari prodotta sulla superficie dell’acqua si propagano in direzione radiale. Ogni piccolo pezzo di onda si allontana dalla sorgente in linea retta.

La riflessione secondo la teoria ondulatoria Un’onda, prodotta sulla superficie dell’acqua immergendo e sollevando il bordo di una riga, urta contro una barriera. L’angolo tra la normale e la direzione di avvicinamento (perpendicolare al fronte dell’onda incidente) e quello tra la normale e la direzione di allontanamento (perpendicolare al fronte d’onda riflesso) sono uguali.

La rifrazione secondo la teoria ondulatoria (1) Consideriamo un’onda che si propaga in una vasca d’acqua e supponiamo che sia costituita da fronti d’onda rettilinei che passano da una zona A a una zona B in cui l’acqua è meno profonda. La diminuzione di profondità può essere causata, per esempio, da una lastra appoggiata sul fondo del recipiente. In B l’onda avanza più lentamente che in A, per il maggior attrito contro il fondo.

La rifrazione secondo la teoria ondulatoria (2) E’ proprio questa diminuzione di velocità la causa che fa piegare i fronti d’onda. Infatti, non appena un fronte d’onda giunge sulla linea di separazione tra le due zone, la parte che attraversa il confine viaggia più lenta dell’altra e resta indietro. Il fronte d’onda si spezza e man mano che avanza tende a disporsi lungo una direzione più parallela rispetto alla linea di separazione.

La rifrazione secondo la teoria ondulatoria (3) Poiché la direzione di propagazione è sempre perpendicolare ai fronti d’onda, vi è un cambiamento di direzione al passaggio tra le due zone. La teoria ondulatoria prevede quindi che, passando da un mezzo meno denso ad uno più denso, la velocità della luce diminuisca.

Conclusioni (1) Le due teorie sembrano spiegare ugualmente bene i fenomeni luminosi che abbiamo preso in considerazione. C’è però un punto in cui le loro previsioni si discostano: la teoria corpuscolare afferma che la luce si muove più velocemente in un mezzo più denso che in uno meno denso, mentre la teoria ondulatoria sostiene il contrario.

La misura della velocità della luce (1) Per decidere quale delle due teorie è falsa, occorre misurare la velocità della luce in alcuni mezzi rifrangenti. Le misure eseguite da Fizeau verso la metà dell’Ottocento mostrarono con chiarezza che la luce si propaga tanto più lentamente quanto più il mezzo è denso.

Fizeau (1819 – 1896)

La misura della velocità della luce (2) La velocità della luce in un mezzo che ha indice di rifrazione assoluto n è: v = c / n dove c è la velocità della luce nel vuoto. Per esempio, la velocità della luce nel vetro è 2/3 di quella nel vuoto.

Conclusioni (2) Questi risultati convinsero definitivamente sulla validità della teoria ondulatoria. Un’altra conferma era venuta nei primi decenni dell’800 dallo studio approfondito della diffrazione e dell’interferenza della luce.

La diffrazione della luce (1) Siamo abituati a pensare che, quando la luce incontra un ostacolo, proietti al di là di esso un’ombra dai contorni netti e ben definiti. Per esempio, inviando un fascio di raggi paralleli su una fenditura, ci aspettiamo che proseguano solo quelli che non sono stati intercettati dallo schermo. Sopra e sotto il fascio che emerge dovrebbe formarsi un’ombra netta.

La diffrazione della luce (2) Di solito succede così. Ma se la fenditura è molto stretta, si verifica un fenomeno curioso. Illuminiamo con un fascio di raggi paralleli e di un solo colore uno schermo opaco che ha una fenditura di larghezza regolabile.

La diffrazione della luce (3) Se la fenditura è abbastanza larga, su uno schermo posto al di là di essa osserviamo una striscia luminosa dai contorni ben definiti.

La diffrazione della luce (4) Restringendo la fenditura, la striscia luminosa, invece di assottigliarsi si allarga. La luce invade così quella che dovrebbe essere la zona d’ombra. L’effetto è tanto più pronunciato quanto più la fenditura è stretta.

Applet sulla diffrazione da una fenditura http://www.ba.infn.it/~fisi2005/animazioni/ani mazione014.html

La diffrazione della luce (4) Questo fenomeno, per cui la luce aggira gli ostacoli ed invade la zona d’ombra geometrica, si chiama diffrazione. Si tratta di un fenomeno tipico delle onde. Possiamo osservarlo, per esempio, con le onde che si propagano sulla superficie dell’acqua.

La diffrazione della luce (5) Nella figura che segue si notano due barriere che lasciano un passaggi libero, la cui larghezza può essere aumentata o diminuita. I fronti d’onda rettilinei, incontrando le due barriere, proseguono al di là dell’ostacolo. Se la fenditura è larga, le onde disegnano due zona d’ombra ben definite leggermente increspate ai bordi. Restringendo l’apertura, la perturbazione si apre a ventaglio e le onde invadono la zona d’ombra geometrica.

Diffrazione da ostacoli Osserviamo lo stesso fenomeno se mettiamo sul cammino delle onde un ostacolo al posto della fenditura. Dietro un ostacolo grande si forma un’ombra netta, mentre dietro un piccolo ostacolo le onde si incurvano, invadendo quella che dovrebbe essere la zona d’ombra.

Conclusioni sulla diffrazione (1) La diffrazione si manifesta in modo evidente quando le dimensioni dell’apertura (o dell’ostacolo) sono paragonabili o minori rispetto alla lunghezza d’onda della perturbazione. In particolare: Quando la lunghezza d’onda è grande rispetto alla dimensione dell’apertura (o dell’ostacolo) si ha diffrazione Quando la lunghezza d’onda è piccola rispetto alla dimensione dell’apertura (o dell’ostacolo) non c’è praticamente diffrazione e ci sono ombre nette.

Conclusioni sulla diffrazione (2) Anche se di solito non ci facciamo caso, assistiamo ogni giorno a fenomeni di diffrazione. Riusciamo a sentire chi ci chiama anche se siamo dietro l’angolo, per esempio dietro un muro che fa da barriera fra noi e l’altra persona. Questo è possibile perché le onde sonore, oltre che riflettersi, diffrangono incontrando ostacoli e aperture, e riescono così ad aggirarli.

Conclusioni sulla diffrazione (3) E’ difficile però vedere la diffrazione delle onde luminose. Al contrario, siamo colpiti dalle ombre nette che disegna la luce quando incontra un ostacolo. Evidentemente gli ostacoli e le aperture su cui incide la luce sono grandi rispetto alla sua lunghezza d’onda. Dobbiamo quindi aspettarci che la luce abbia una lunghezza d’onda molto piccola rispetto alle dimensioni degli oggetti che fanno parte della vita quotidiana.

La lunghezza d’onda della luce In effetti, la lunghezza d’onda della luce è circa uguale a 0,000005 m. Questo ci spiega perché è impossibile vedere oggetti estremamente piccoli. Illuminandoli con la luce naturale essi non formano ombre nette, ma rimandano immagini confuse ( come quelle della fenditura). Non possiamo quindi vedere direttamente gli atomi, che hanno una dimensione di 10^(-10) m, neppure con l’aiuto di un microscopio potentissimo. La luce che li illumina non è in grado di restituirci una loro immagine chiara, ma solo una complessa figura di diffrazione.