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Come funziona la luce

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La luce viaggia come un’onda, un raggio o un flusso di particelle? È un solo colore o molti colori mischiati insieme? Ha una frequenza come il suono? E quali sono alcune delle proprietà comuni della luce, come assorbimento, riflessione, rifrazione e diffrazione?

Abbiamo sempre dato per scontato che viaggi più velocemente di qualsiasi altra cosa nell’universo poi, nel 1999, i ricercatori dell’Università di Harvard sono stati in grado di rallentare un raggio fino a 61 chilometri all’ora facendolo passare attraverso uno stato della materia noto come condensato di Bose-Einstein. Quasi 18 milioni di volte più lento del normale!

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Einstein cercò di immaginare come sarebbe cavalcare un raggio di luce. “E se si corresse dietro a un raggio di luce?… Se si corresse abbastanza velocemente, non si muoverebbe più?” Einstein, tuttavia, anticipava la storia.

Nei secoli ad oggi, la nostra concezione della luce è cambiata radicalmente

Le prime vere teorie provenivano dagli antichi greci, molte di quelle teorie la descrivevano come un raggio, una linea retta che si muove da un punto all’altro. Pitagora, meglio conosciuto per il teorema del triangolo rettangolo, propose che la visione fosse il risultato di raggi che emergevano dall’occhio di una persona e colpivano un oggetto.

Epicuro sosteneva l’opposto: gli oggetti producono raggi lucenti, che poi viaggiano verso l’occhio. Altri filosofi greci, in particolare Euclide e Tolomeo, usarono con successo i diagrammi dei raggi per mostrare come essa rimbalza su una superficie liscia o si piega mentre passa da un mezzo trasparente all’altro.

Gli studiosi arabi hanno raggruppato queste idee sviluppando l’ottica geometrica, applicando metodi geometrici all’ottica di lenti, specchi e prismi

Il più famoso praticante di ottica geometrica fu Ibn al-Haytham, che visse nell’attuale Iraq tra il 965 e il 1039 d.C.. Ibn al-Haytham identificò i componenti ottici dell’occhio umano e descrisse correttamente la visione come un processo che coinvolge i raggi luminosi che rimbalzano da un oggetto agli occhi di una persona.

Nel 17° secolo, alcuni eminenti scienziati europei iniziarono a pensare in modo diverso alla luce. Una figura chiave fu il matematico-astronomo olandese Christiaan Huygens. Nel 1690, Huygens pubblicò il suo “Trattato sulla luce“, in cui descriveva la teoria ondulatoria.

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In questa teoria, ipotizzava l’esistenza di un mezzo invisibile – un etere – che riempie tutto lo spazio vuoto tra gli oggetti. Ha inoltre ipotizzato che la luce si formi quando un corpo luminoso provoca una serie di onde o vibrazioni in questo etere. Queste onde poi avanzano finché non incontrano un oggetto. Se quell’oggetto è un occhio, le onde stimolano la vista.

Nel 1704, Newton propose un approccio diverso, descrivendo la luce come corpuscoli o particelle. Dopotutto, la luce viaggia in linea retta e rimbalza su uno specchio proprio come una palla che rimbalza su un muro.

In riflessione, un raggio di luce colpisce una superficie liscia, come uno specchio, e rimbalza. Un raggio riflesso esce sempre dalla superficie di un materiale con un angolo uguale all’angolo con cui il raggio in arrivo colpisce la superficie.

In fisica si chiama legge della riflessione. Quando la luce colpisce una superficie ruvida, i raggi luminosi in entrata si riflettono in tutti i tipi di angolazioni perché la superficie è irregolare. Questa dispersione si verifica in molti degli oggetti che incontriamo ogni giorno.

Le lenti, come quelle di un telescopio o di un paio di occhiali, sfruttano la rifrazione. Una lente è un pezzo di vetro o altra sostanza trasparente con i lati curvi per concentrare o disperdere i raggi luminosi. Le lenti servono a rifrangere la luce ad ogni confine.

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Quando un raggio di luce entra nel materiale trasparente, viene rifratto. Quando lo stesso raggio esce, viene nuovamente rifratto. L’effetto netto della rifrazione a questi due confini è che il raggio di luce ha cambiato direzione. Sfruttiamo questo effetto per correggere la vista di una persona o migliorarla facendo apparire più vicini gli oggetti distanti o più grandi gli oggetti piccoli.

A differenza delle onde d’acqua, le onde luminose seguono percorsi più complicati e non hanno bisogno di un mezzo da attraversare

All’inizio del XIX secolo, nessuna prova reale si era accumulata per dimostrare la teoria ondulatoria della luce. Le cose cambiarono nel 1801 quando Thomas Young, un medico e fisico inglese, progettò e condusse uno degli esperimenti più famosi nella storia della scienza. Oggi è noto come esperimento della doppia fenditura e richiede un’attrezzatura semplice: una fonte di luce, una scheda sottile con due fori tagliati uno accanto all’altro e uno schermo.

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Per eseguire l’esperimento, Young ha permesso a un raggio di luce di passare attraverso un foro stenopeico e colpire la carta. Se la luce contenesse particelle o semplici raggi rettilinei, pensò, la luce non bloccata dalla carta opaca passerebbe attraverso le fessure e si sposterebbe in linea retta fino allo schermo, dove formerebbe due punti luminosi.

Non è quello che osservò Young

Invece, vide sullo schermo uno schema di codici a barre con bande chiare e scure alternate. Per spiegare questo schema inaspettato, immaginò la luce che viaggiava nello spazio come un’onda d’acqua, con creste e avvallamenti.

Pensando in questo modo, concluse che le onde luminose viaggiavano attraverso ciascuna delle fenditure, creando due fronti d’onda separati. Quando questi fronti d’onda arrivano ​​allo schermo, inferiscono l’uno con l’altro. Si formano bande luminose dove due creste d’onda si sovrappongono e si sommano.

Il lavoro di Young ha dato vita a un nuovo modo di pensare la luce. Gli scienziati hanno iniziato a fare riferimento alle onde luminose e hanno rimodellato di conseguenza le loro descrizioni di riflessione e rifrazione, osservando che le onde luminose obbediscono ancora alle leggi della riflessione e della rifrazione.

La flessione di un’onda luminosa spiega alcuni dei fenomeni visivi che spesso incontriamo, come i miraggi

Un miraggio è un’illusione ottica causata quando le onde luminose che si muovono dal cielo verso il suolo vengono piegate dall’aria riscaldata.

Nel 1860, il fisico scozzese James Clerk Maxwell formulò la teoria dell’elettromagnetismo 

Maxwell descrisse la luce come un tipo di onda molto speciale, composto da campi elettrici e magnetici. I campi vibrano ad angolo retto rispetto alla direzione del movimento dell’onda e ad angolo retto l’uno rispetto all’altro.

Poiché la luce ha sia campi elettrici che magnetici, viene anche chiamata radiazione elettromagnetica. La radiazione elettromagnetica non ha bisogno di un mezzo per attraversarla e, quando viaggia nel vuoto, si muove a 300.000 chilometri al secondo. Gli scienziati si riferiscono a questo come alla velocità della luce, uno dei numeri più importanti in fisica.

Anche le onde luminose hanno molte frequenze

La frequenza è il numero di onde che attraversano un punto nello spazio durante un qualsiasi intervallo di tempo, solitamente un secondo. Lo misuriamo in unità di cicli (onde) al secondo, o hertz. La frequenza della luce visibile è indicata come colore e varia da 430 trilioni di hertz, vista come rossa, a 750 trilioni di hertz, vista come viola.

Anche in questo caso, l’intera gamma di frequenze si estende oltre la porzione visibile, da meno di 3 miliardi di hertz, come nelle onde radio, a più di 3 miliardi di miliardi di hertz (3 x 10 19), come nei raggi gamma.

La quantità di energia in un’onda luminosa è proporzionalmente correlata alla sua frequenza: la luce ad alta frequenza ha un’energia elevata; la luce a bassa frequenza ha una bassa energia. Quindi, i raggi gamma hanno la maggior parte dell’energia (parte di ciò che li rende così pericolosi per l’uomo) e le onde radio hanno il minimo.

Di luce visibile, il viola ha più energia e il rosso meno. L’intera gamma di frequenze ed energie, mostrata nella figura allegata, è nota come spettro elettromagnetico . Nota che la figura non è disegnata in scala e che la luce visibile occupa solo un millesimo di percento dello spettro.

Albert Einstein avanzò la teoria di Planck nel 1905 quando studiò l’ effetto fotoelettrico

In primo luogo, ha iniziato facendo brillare la luce ultravioletta sulla superficie di un metallo. Quando ha fatto questo, è stato in grado di rilevare gli elettroni emessi dalla superficie. Questa era la spiegazione di Einstein: se l’energia nella luce arriva in fasci, allora si può pensare che la luce contenga piccoli grumi, o fotoni.

Quando questi fotoni colpiscono una superficie metallica, si comportano come palle da biliardo, trasferendo la loro energia agli elettroni, che vengono staccati dai loro atomi “genitori”. Una volta liberati, gli elettroni si muovono lungo il metallo o vengono espulsi dalla superficie.

Incandescenza: creare luce con il calore

Probabilmente il modo più comune per eccitare gli atomi è con calore, e questa è la base di incandescenza. Il rosso è la luce visibile a più bassa energia, quindi in un oggetto incandescente gli atomi ricevono energia sufficiente per iniziare a emettere luce che possiamo vedere.

Una volta che applichi abbastanza calore per causare la luce bianca, stai energizzando così tanti elettroni diversi in così tanti modi diversi che vengono generati tutti i colori: si mescolano tutti insieme per sembrare bianchi.

Il calore è il modo più comune in cui vediamo la luce generata: una normale lampadina a incandescenza da 75 watt genera luce utilizzando l’ elettricità per creare calore. L’elettricità scorre attraverso un filamento di tungsteno alloggiato all’interno di una sfera di vetro.

La combustione offre un altro modo per produrre fotoni

La combustione si verifica quando una sostanza, il combustibile, si combina rapidamente con l’ossigeno, producendo calore e luce. Se studi attentamente un fuoco da campo o anche la fiamma di una candela, noterai un piccolo spazio incolore tra il legno o lo stoppino e le fiamme.

In questo spazio, i gas salgono e si riscaldano. Quando finalmente diventano abbastanza caldi, i gas si combinano con l’ossigeno e sono in grado di emettere luce. La fiamma, quindi, non è altro che una miscela di gas reagenti che emettono luce visibile, infrarossa e un po’ di luce ultravioletta.

E la luce Laser?

Laser è l’acronimo di “amplificazione della luce mediante emissione stimolata di radiazioni”, che è un modo assurdo per descrivere la luce in cui i fotoni sono tutti alla stessa lunghezza d’onda e hanno le creste e le depressioni in fase.

Il fisico Theodore H. Maiman ha sviluppato il primo laser funzionante al mondo, il laser a rubino, nel 1960. Il laser a rubino conteneva un cristallo di rubino, un tubo flash al quarzo, specchi riflettenti e un alimentatore.

Maiman ha posizionato uno specchio completamente riflettente su un’estremità del cristallo e uno specchio parzialmente riflettente sull’altra. Gli specchi riflettevano alcuni dei fotoni a lunghezza d’onda rossa avanti e indietro all’interno del cristallo di rubino.

Questo, a sua volta, ha stimolato altri atomi di cromo eccitati a produrre più fotoni, fino a quando un flusso di fotoni allineati con precisione è rimbalzato avanti e indietro all’interno del laser. Ad ogni rimbalzo, alcuni dei fotoni sono fuggiti, il che ha permesso agli osservatori di percepire il raggio stesso.

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