Luce
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La luce (dal latino, lux, lucis) è l'agente fisico che rende visibili gli oggetti. Il termine luce si riferisce alla porzione dello spettro elettromagnetico visibile all'occhio umano, ma può includere altre forme della radiazione elettromagnetica. Le tre grandezze base della luce (e di tutte le radiazioni elettromagnetiche) sono la luminosità (o ampiezza), il colore (o frequenza) e la polarizzazione (o angolo di vibrazione). A causa della dualità onda-particella, la luce mostra simultaneamente proprietà che appartengono sia alle onde che alle particelle.
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[modifica] Teorie sulla luce
[modifica] Teoria corpuscolare
Formulata da Isaac Newton nel XVII secolo. La luce viene 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 spiega 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 è coerente con una velocità della luce alta ma non infinita. Anche il fenomeno della riflessione può essere spiegato in maniera semplice tramite l'urto elastico della particella di luce sulla superficie riflettente.
La spiegazione della rifrazione è leggermente più complicata ma tutt'altro che impossibile: basta infatti pensare che le particelle incidenti sul materiale rifrangente subiscano, ad opera di questo, delle forze perpendicolari alla superficie che ne cambiano 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.
[modifica] Teoria ondulatoria
Formulata da Christiaan Huygens nel 1678 ma pubblicata solo nel 1690 nel Traité de la Lumière. La luce viene 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 fosse interamente spiegabile dalla teoria ondulatoria e non lo fosse dalla teoria corpuscolare.
Un problema della teoria ondulatoria era 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.
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Per approfondire, vedi la voce Dualismo onda-particella. |
[modifica] Teoria elettromagnetica
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, magneti ed ottici. Per la grandissima maggioranza delle applicazioni questa teoria è ancora utilizzata al giorno d'oggi.
[modifica] Teoria quantistica
Per risolvere alcuni problemi sulla trattazione del corpo nero nel 1900 Max Planck propose che lo scambio di energia fra il campo elettromagnetico e la materia potesse avvenire solo tramite pacchetti discreti di energia (quanti) chiamati fotoni. I successivi studi di Albert Einstein sull'effetto fotoelettrico mostrarono che questo non era solo un artificio matematico ma che i fotoni erano oggetti reali. 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.
[modifica] La velocità della luce
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Per approfondire, vedi la voce 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, indicava che la luce impiegava più tempo a raggiungere la Terra. 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.
[modifica] 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.
[modifica] 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). Le frequenze comprese tra questi due estremi vengono percepite come arancio, giallo, verde, blu e indaco. Le frequenze immediatamente al di fuori di questo 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.
[modifica] Lunghezze d'onda della luce visibile
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Per approfondire, vedi la voce Spettro visibile. |
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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).
[modifica] Misurazione della luce
Le seguenti sono quantità o unità di misura della luce:
- luminosità (o temperatura)
- illuminamento (unità SI: lux)
- flusso luminoso (unità SI: lumen)
- intensità luminosa (unità SI: candela)
[modifica] Sorgenti di luce
- radiazione termica (radiazione del corpo nero)
- Lampade ad incandescenza
- luce solare
- fuoco
- emissione spettrale atomica (la fonte di emissione può essere stimolata o spontanea)
- accelerazione di una particella dotata di carica (solitamente un elettrone)
- radiazione ciclotronica
- Bremsstrahlung
- radiazione di Cherenkov
- luce di sincrotrone
- chemioluminescenza
- fluorescenza
- fosforescenza
- bioluminescenza
- sonoluminescenza
- triboluminescenza
- radioattività
- annichilazione particella-antiparticella
[modifica] Altri progetti
| Spettro elettromagnetico (Ordinato in base alla frequenza, ordine crescente) Onde radio | Microonde | Radiazione terahertz | Infrarosso | Luce visibile | Ultravioletto | Raggi X | Raggi gamma Spettro radio: ELF | SLF | ULF | VLF | LF | MF | HF | VHF | UHF | SHF | EHF Spettro visibile: Rosso | Arancione | Giallo | Verde | Cìano | Blu | Violetto |
