Luce

Radiazione di luce

Col termineluce(dallatinolūx lūcis,ant*louk-s,affine al sanscr.roká-, armenoloys,goticoliuhath,ted.Licht,e all’agg. gr. λευκός «brillante, bianco») s'intende la porzione dellospettro elettromagneticoche risulta visibile dall'occhio umano.Tale intervallo, definitospettro visibile,è compreso tra lelunghezze d'ondadi circa 700 e 400nanometri(tra le frequenze di circa 428 e750THz), corrispondenti rispettivamente alla luce rossa e violetta. Questi limiti, pur simili, non sono uguali per tutte le persone. Le regioni dello spettro adiacenti prendono il nome rispettivamente diradiazione infrarossaeultravioletta.

La presenza contemporanea di tutte le radiazioni della luce, in quantità proporzionali a quelle dellaluce solare,forma la cosiddettaluce bianca(benché la luce solare appaia tendenzialmente giallognola).

Come tutte leonde elettromagnetiche,nell'elettromagnetismoclassico la luce è descritta come un'onda,mentre nellafisica moderna,in seguito all'avvento dellameccanica quantistica,possiede anche proprietà tipiche delle particelle, risultando composta da unità fondamentali (quanti) chiamatefotoni.La velocità delle onde elettromagnetiche nel vuoto è definita per ragioni storiche comevelocità della luce.

La luce interagisce in varia misura con la materia. I fenomeni che più comunemente influenzano o impediscono latrasmissionedella luce attraverso lamateriasono: l'assorbimento,ladiffusione(scattering), lariflessionespeculare odiffusa,larifrazionee ladiffrazione.Lariflessione diffusada parte delle superfici, da sola o combinata con l'assorbimento,è il principale meccanismo attraverso il quale gli oggetti illuminati si rivelano ai nostri occhi, mentre ladiffusioneda parte dell'atmosfera è responsabile delcoloredelcielo.Nel marzo 2024 sono stati scoperti ildisolfuro di renioe ildiseleniuro di renio,entrambi in grado di controllare l'interazione tra luce emateria.

Storia

Riflessioni sul fenomeno della luce ricorrono spesso nellastoria della filosofia,nel corso della quale essa è stata intesa sia come metafora della lucespiritualemetafisica,che rende possibile laconoscenzae larivelazioneattraverso l'illuminazione,sia come componente strutturale di ogni realtà anche fisica, cheemanandodaDiodà luogo ai vari livelli dell'essere,dalla natura senziente epensantefino a quellomateriale.

Anche nell'artela luce è stata spesso utilizzata per i suoi effetti ottici e simbolici, ad esempio nella decorazione deirosonidegliedifici religiosi,quale allegoria dell'irradiazione divina.

Teoria corpuscolare

Formulata daIsaac NewtonnelXVII secolo,la luce veniva vista come composta da piccole particelle di materia (corpuscoli) emesse in tutte le direzioni. Oltre che essere matematicamente molto più semplice dellateoria ondulatoria,questa teoria spiegava molto facilmente alcune caratteristiche della propagazione della luce che erano ben note all'epoca diNewton.

Fasci diluce solareche filtrano da una finestra, evidenziati dal fenomeno delladiffusione

Innanzitutto lameccanicagalileianaprevede, correttamente, che le particelle (inclusi i corpuscoli di luce) si propaghino in linea retta, e il fatto che questi fossero previsti essere molto leggeri era coerente con unavelocità della lucealta ma non infinita. Anche il fenomeno dellariflessionepoteva essere spiegato in maniera semplice tramite l'urto elasticodella particella di luce sulla superficie riflettente.

La spiegazione dellarifrazioneera leggermente più complicata ma tutt'altro che impossibile: bastava infatti pensare che leparticelleincidenti sul materiale rifrangente subissero, per opera di questo, delle forze perpendicolari alla superficie che ne aumentassero la velocità, cambiandone la traiettoria e avvicinandola alla direzione normale alla superficie.

I colori dell'arcobalenovenivano spiegati tramite l'introduzione di un gran numero di corpuscoli di luce diversi (uno per ogni colore) e il bianco era pensato come formato da tante di questeparticelle.La separazione dei colori per opera, ad esempio, di unprismaponeva qualche problema teorico in più perché le particelle di luce dovrebbero avere proprietà identiche nel vuoto ma diverse all'interno della materia.

Teoria ondulatoria

Christiaan Huygens

Formulata daChristiaan Huygensnel 1678, ma pubblicata solo nel 1690 nelTraité de la Lumière,la luce veniva vista come un'ondache si propaga in un mezzo, chiamatoetere,in maniera del tutto simile alle onde delmareo a quelleacustiche.Si supponeva che l'etere pervadesse tutto l'universoe fosse formato da microscopiche particelle elastiche. La teoria ondulatoria della luce permetteva di spiegare numerosi fenomeni: oltre allariflessionee allarifrazione,Huygensriuscì infatti a spiegare anche il fenomeno dellabirifrangenzaneicristallidicalcite.

Nel1801Thomas Youngdimostrò come i fenomeni delladiffrazione(osservata per la prima volta daFrancesco Maria Grimaldinel 1665) e dell'interferenzafossero interamente spiegabili dalla teoria ondulatoria e non lo fossero dallateoria corpuscolare.Agli stessi risultati arrivòAugustin-Jean Fresnelnel 1815. Nel 1814Joseph von Fraunhoferfu il primo a investigare seriamente sulle righe di assorbimento nellospettrodel Sole,che vennero esaurientemente spiegate daKirchhoffe daBunsennel 1859, con l'invenzione dellospettroscopio.Le righe sono ancora oggi chiamatelinee di Fraunhoferin suo onore.

Il fatto che le onde siano capaci di aggirare gli ostacoli mentre la luce si propaga in linea retta (questa proprietà era già stata notata daEuclidenel suoOptica) può essere facilmente spiegato assumendo che la luce abbia unalunghezza d'ondamicroscopica.

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

Teoria elettromagnetica classica

Per la grandissima maggioranza delle applicazioni questa teoria è ancora utilizzata al giorno d'oggi. Proposta daJames Clerk Maxwellalla fine delXIX secolo,sostiene che le onde luminose sono elettromagnetiche. La luce visibile è solo una piccola parte dello spettro elettromagnetico. Con la formulazione delleequazioni di Maxwellvennero completamente unificati i fenomeni elettrici, magnetici e ottici. Per Maxwell, tuttavia, era ancora necessario un mezzo di diffusione dell'onda elettromagnetica, ossia l'etere. Solo più tardi si negò l'etere e si scoprì che la luce può propagarsi anche nel vuoto.

Teoria quantistica

Per risolvere alcuni problemi nella trattazione della radiazione emessa dacorpo nero,Max Planckideò nel 1900 un artificio matematico in cui l'energia associata a un'onda elettromagneticanon fosse proporzionale al quadrato della suaampiezza(come nel caso delleonde elastichein meccanica classica), bensì inversamente proporzionale alla sua lunghezza d'onda, con una proporzionalità non continua madiscreta.

L'interpretazione successiva cheAlbert Einsteindiede dell'effetto fotoelettrico,indirizzò verso una nuova strada:si cominciò a pensare che quello di Planck non fosse un mero artificio matematico, ma l'espressione di una nuova realtà fisica in cui la radiazione elettromagnetica ha una forma discreta di alcune proprietà, da cui nacque il concetto di pacchetti discreti d'energia dell'onda elettromagnetica, oggi chiamatifotoni.

La velocità della luce

La luce si propaga a una velocità finita. Anche gli osservatori in movimento misurano sempre lo stesso valore dic,lavelocità della lucenel vuoto, dovec= 299 792 458 m/s che viene approssimato inc= 300 000 000 m/s, mentre viaggia nell'acqua a circa 225 407 863 m/s e nel vetro a 185 057 072 m/s.

La velocità della luce è stata misurata molte volte da numerosi fisici. Il primo tentativo di misura venne compiuto daGalileo Galileicon 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 daOle Rømer(un astronomo danese), nel 1675.Egli sviluppò un metodo di misurazione, osservandoGiovee una delle sue lune con untelescopio.Grazie al fatto che la luna veniva eclissata da Giove a intervalli regolari, calcolò il periodo dirivoluzionedella 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 Giove-Terra, ipotizzando quindi, una velocità finita per essa. La velocità della luce venne calcolata analizzando la distanza tra i due pianeti in tempi differenti. Rømer calcolò una velocità di 227 326 km/s.

Albert A. Michelsonmigliorò il lavoro di Rømer 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 Sant'Antonio inCalifornia.La misura precisa portò a una velocità di 299 702 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, la sua velocitàcsi riduce av = c/n(dovenè il valore dell'indice di rifrazionedel mezzo) ed è sottoposta a rifrazione. In altre parole,n= 1 nel vuoto en> 1 nella materia. L'indice di rifrazione dell'aria di fatto è molto vicino a 1, e in effetti la misura di Michelsonè un'ottima approssimazione dic.

Ottica

L'otticaè lo studio della luce e dell'interazione tra la luce emateria.

L'osservazione e lo studio dei fenomeni ottici, offre molti indizi sulla natura stessa della luce; tra i primi si ricordano gli esperimenti di rifrazione della luce conprisma,eseguiti daNewtontra il 1665 e il 1666.Le conclusioni di Newton, secondo cui la luce era un fenomeno composto, furono contestate ai primi dell'Ottocento daGoethe,il quale nella suaTeoria dei coloriosservò che non è la luce a scaturire daicolori,bensì il contrario: la luce è per Goethe unfenomeno «primario»,di natura quasi spirituale, che interagendo con l'oscurità, genera la varietà dei colori, per effetto del suo maggiore o minore offuscamento.

Colori e lunghezze d'onda

Emissione luminosa di alcuni gas

Le diverselunghezze d'onda(tra 700 e 400 nm) di emissione della luce, vengono all'incirca interpretate dalcervellocomecoloridiversi e con varie sfumature, che vanno dallefrequenzepiù basse delrosso(le onde più lunghe) alle frequenze più alte delvioletto(le onde più corte). Nel luogo comune, isette colori dell'arcobalenorappresentano lo spettro completo dei colori visibili. Tuttavia, manca una relazione biunivoca tra i colori che noi percepiamo e le lunghezze d'onda della radiazione luminosa: se a ogni frequenza o lunghezza d'onda è associabile un colore, non a tutti i colori possiamo associare una frequenza o lunghezza d'onda precisa. Quasi tutte le radiazioni luminose, che la vista percepisce dall'ambiente circostante, non sono del tuttopure,ma sono in realtà unasovrapposizionedi varie luci con differenti lunghezze d'onda.Quei colori, a cui non sono associate onde specifiche, sono invece generati dal meccanismo di funzione del nostro apparato visivo/percettivo (occhio+cervello). In particolare, iconi,cellule dellaretinaresponsabili dellavisione diurnaa colori, si differenziano nei tre tipi, sensibili a tre diverse regioni spettrali della luce: coni L (sensibili alle lunghezze d'onda lunghe - giallo), coni M (sensibili alle lunghezze d'onda medie - verde) e coni S (sensibili alle lunghezze d'onda corte - blu). Quando al nostro occhio arriva luce composta da più onde monocromatiche, appartenenti a regioni diverse dello spettro, il nostro cervello interpreta i segnali provenienti dai tre tipi di sensori come un "nuovo" colore, "somma" di quelli originari. Il che è molto simile al procedimento inverso di quello che si fa con la riproduzione artificiale dei colori, per esempio con il metodoRGB(sistema nato dopo aver capito come funziona l'occhio e la vista).

Raggilaserdi diverso colore

Tutte le frequenze della luce immediatamente al di fuori dello spettro percettibile dall'occhio umano, vengono chiamateinfrarosso(IR), per quelle più basse del limite inferiore (rosso), eultravioletto(UV), per riferimento alle più alte frequenze del limite superiore (violetto).Anche se noi non possiamo vedere l'infrarosso, esso viene percepito comecalore,dai recettori della pelle (quando siamo esposti alSole,ad esempio). Le particolaritelecamerein grado di captare i raggi infrarossi e convertirli in luce visibile, vengono chiamativisori notturni.Alcuni animali riescono a vedere anche gli infrarossi, altri come leapi,riescono a vedere anche gli ultravioletti. Gli ultravioletti (soprattutto quelli ditipo B- UV-B) sono i responsabili dell'abbronzaturae dellescottature della pelle,se l'esposizione solare è avvenuta in modo inadeguato, e in genere possono causare anche danni allaretinadell'occhio o modificare ilDNA,causandotumori della pelleo altre alterazioni ancora più dannose. Per questi motivi, è sempre consigliato proteggersi conocchiali da soleecreme SPF,evitando il più possibile l'esposizione al Sole nelle ore centrali della giornata.

Alcune parti dello spettro elettromagnetico sono "fonte di calore", a partire dagli infrarossi ed escludendo una porzione degli ultravioletti e alcune parti minoritarie deiraggi X.

Lunghezze d'onda della luce visibile

La luce visibile è una porzione dello spettro elettromagnetico compresa approssimativamente tra i 400 e i 700nanometri(nm) (nell'aria). Ogni singola radiazione elettromagnetica dello spettro è caratterizzata da unafrequenza"f"e relativalunghezza d'onda"λ".

Grandezze misurabili

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

• tonalità (otemperatura)
• luminosità
• illuminamento (unitàSI:lux)
• flusso luminoso (unità SI:lumen)
• intensità luminosa (unità SI:candela).

Sorgenti di luce

La luce può essere prodotta a partire dalle seguenti sorgenti:

• radiazione termica
  • lampada a incandescenza
  • luce solareestellare
  • fuoco
  • qualsiasi corpo al di sopra di una certa temperatura (cioè incandescente, ad esempio metallo fuso)
• emissione spettrale atomica (la fonte di emissione può essere stimolata o spontanea)
  • Laseremaser(emissione stimolata)
  • LED(light emitting diode)
  • lampade a scarica di gas(ad esempio insegne alneone lampade almercurio)
  • fiamme dei gas
• accelerazione di una particella dotata di carica (solitamente unelettrone)
  • radiazione ciclotronica
  • Bremsstrahlung
  • effetto Čerenkov
  • luce di sincrotrone
• chemioluminescenza
• fluorescenza
• fosforescenza
  • tubo catodico
• bioluminescenza
• sonoluminescenza
• triboluminescenza
• radioattività
• annichilazioneparticella-antiparticella

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Collegamenti esterni

• (EN) Glenn Stark,light,suEnciclopedia Britannica,Encyclopædia Britannica, Inc.