LA LUCE. La luce visibile rappresenta una piccola parte dello spettro elettromagnetico

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1 LA LUCE Teoria corpuscolare Formulata da Isaac Newton nel XVII secolo. La luce veniva 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 spiegava molto facilmente alcune caratteristiche della propagazione della luce che erano ben note all'epoca di Newton. Teoria ondulatoria Formulata da Christiaan Huygens nel 1678 ma pubblicata solo nel 1690 nel Traité de la Lumière. La luce veniva 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. Teoria dualistica onda-particella L'espressione dualismo onda-particella si riferisce al fatto che le particelle elementari, come l'elettrone o il fotone, mostrano una duplice natura, sia corpuscolare che ondulatoria. Tale evidenza nasce dall'interpretazione di alcuni esperimenti compiuti all'inizio del XX secolo. L'effetto fotoelettrico, per esempio, suggeriva una natura corpuscolare per la luce, che d'altra parte manifestava proprietà chiaramente ondulatorie in altri casi, per esempio nel fenomeno della diffrazione, che non era spiegabile ricorrendo all'ipotesi corpuscolare. Spettro visibile Le radiazioni luminose, a cui l occhio umano è sensibile, rappresentano una piccola frazione dell insieme delle onde elettromagnetiche, comprese nell intervallo di frequenze fra 4E14 Hz (800nm) e 8E14 Hz (360nm) circa. L insieme dei colori che formano la luce visibile, che si estende dal rosso al violetto, si dice spettro. La luce visibile rappresenta una piccola parte dello spettro elettromagnetico

2 Sorgente di luce Qualsiasi corpo capace di emettere onde elettromagnetiche nel campo visibile, costituisce una sorgente di luce. Sono sorgenti tutte le sostanze riscaldate ad una temperatura maggiore in genere agli 800 C. Corpi illuminati Non brillano di luce propria ma riflettono la luce che ricevono (la luna) Trasparenza La trasparenza di un materiale è la proprietà di lasciarsi attraversare dalla luce, senza rifletterla o riflettendola solo in parte, a seconda del materiale e del suo spessore. Propagazione della luce La luce non ha bisogno di un mezzo per propagarsi nello spazio (a differenza delle onde sonore o delle onde meccaniche in genere), infatti la luce del sole arriva sulla terra attraversando lo spazio vuoto. Un raggio di luce che si muove nel vuoto, o in un materiale uniforme, in assenza di campi gravitazionali, percorre traiettorie rettilinee. Anche la luce, come la materia, risente dell influsso di un campo gravitazionale, dunque, un raggio che viaggia nello spazio, viene incurvato quando passa in prossimità un accumulo di massa, come una stella o un buco nero, su piccole distanze e in presenza di campi gravitazionali deboli come quello terrestre, questa incurvatura è impercettibile. L'eclissi del 1919 che dimostrò la veridicità della teoria della relatività generale. La luce emanata da una stella viene deviata dalla gravità del Sole quando passava vicino ad esso. In ottica geometrica, un raggio luminoso viene rappresentato con una linea retta.

3 Velocità della luce La velocità della luce nel vuoto vale, rappresentata con la lettera vale: Velocità della luce: = / = / Nessun corpo dotato di materia può raggiungere la velocità della luce. La velocità della luce nel vuoto è una costante fondamentale della natura. Le onde elettromagnetiche si propagano nel vuoto a velocità rispetto a qualsiasi corpo, sia che esso sia in quiete, sia che sia in movimento, e indipendentemente dalla velocità e direzione di spostamento del corpo. La velocità della luce rappresenta la velocità assoluta limite raggiungibile da qualsiasi entità presente nell universo, in altre parole, nessun corpo può viaggiare, rispetto ad alcun altro corpo, alla velocità di o con una velocità maggiore di. Formazione di ombra e penombra Un corpo opaco, posto fra una sorgente luminosa puntiforme e uno schermo, origina su questo una zona d ombra corrispondente ai raggi luminosi del corpo. Se la sorgente luminosa è estesa, si forma anche una penombra. Gli oggetti che si trovano nel cono d ombra subiscono l eclissi totale, nella zona di penombra vi è invece l eclissi parziale. L energia raggiante rappresenta l energia totale emessa dalla sorgente [ ]. Il flusso di potenza rappresenta l energia totale raggiata dalla sorgente per unità di tempo (la potenza della sorgente) [ ]. L intensità di radiazione è l energia emessa per unità di tempo e di angolo solido [ / ]. Irraggiamento di una superficie è il rapporto tra il flusso perpendicolare di radiazione incidente sulla superficie e l area della superficie. Riflessione della luce Quando un raggio luminoso incontra uno specchio piano, viene riflesso secondo le stesse leggi che governano le onde meccaniche, in particolare l angolo del raggio incidente è uguale all angolo del raggio riflesso. La riflessione può avvenire specularmente (riflessione speculare o regolare) cioè in una unica (o quasi) direzione, oppure diffusamente (riflessione diffusa) cioè in varie direzioni.

4 Rifrazione della luce Quando un raggio luminoso incontra la superficie di separazione di due mezzi con differente indice di trasparenza, il raggio si scinde. Uno dei due attraversa il materiale trasparente ed è detto raggio rifratto, mentre l altro, detto raggio riflesso, si riflette senza perciò penetrare nel secondo mezzo. Il raggio rifratto penetra nel secondo mezzo con una direzione diversa da quella del raggio incidente. L angolo del raggio rifratto dipende, a parità di altre condizioni dalla lunghezza d onda della luce. Pertanto, se il fascio di luce incidente è formato da luce bianca (composta da tutti i colori dello spettro), nel fascio di luce rifratta si distinguono tanti raggi di diverso colore. Se il raggio incidente è monocromatico, il raggio rifratto è unico. Indice di rifrazione relativo:, = = =, n1,2 è detto indice di rifrazione relativo e al variare dell angolo di incidenza, rimane costante e dipende unicamente dal tipo di materiale in contatto. Rifrazione assoluta l indice di rifrazione assoluto è l indice di rifrazione di un mezzo rispetto al vuoto Rifrazione assoluta = Legge di Snell della rifrazione della luce n1 e n2 sono gli indici di rifrazione assoluti dei mezzi in cui si propagano, rispettivamente, il raggio di luce incidente e quello rifratto, tra i seni degli angoli i di incidenza e r di refrazione, vale la relazione: Legge di Snell =

5 Riflessione totale Quando un raggio luminoso passa da un mezzo con indice di rifrazione maggiore a un mezzo con indice di rifrazione minore, come un raggio che da sott acqua passa nell aria, il raggio luminoso uscente sarà meno inclinato del raggio incidente. Si arriva ad un angolo limite in cui il raggio uscente è orizzontale. Oltre tale limite, il raggio non è più in grado di uscire dal mezzo e viene riflesso, si parla in questo caso di riflessione totale. Angolo limite per la riflessione totale sin = 1 Miraggio Generalmente, gli strati dell aria atmosferica sono più densi vicino alla superficie del suolo del suolo e si diradano salendo di quota. Se però la terra è molto calda, può accadere che gli strati in prossimità del suolo diventino meno densi rispetto agli strati superiori. Questo avviene nelle giornate molto calde e più frequentemente nei deserti. Un raggio luminoso che parte dalla cima di un albero per propagarsi verso il suolo, incontra nel suo percorso strati d aria via via sempre meno densi. Di conseguenza, successivi fenomeni di rifrazione curvano il raggio luminoso fino a fargli raggiungere l angolo limite. A questo punto la traiettoria del raggio s inverte e raggiunge l osservatore il quale sarà indotto a credere che sotto l albero vi sia uno specchio d acqua a riflettere l albero. Prisma ottico Un prisma ottico è un prisma trasparente limitato da due facce piane e non parallele. L angolo alfa formato tra queste due facce è detto di rifrangenza del prisma. Se il raggio di luce passa dal: mezzo meno rifrangente al mezzo più rifrangente, il raggio si verticalizza (raggio di luce che passa dall aria all acqua) mezzo più rifrangente al mezzo meno rifrangente, il raggio si orizzontalizza (miraggio). Dispersione della luce L arcobaleno appare nel cielo dopo un temporale, quando il sole illumina le goccioline d acqua disperse nell aria. Per antica convenzione i colori dell arcobaleno sono sette: rosso, arancione, giallo, verde azzurro, indaco e violetto, sono detti colori fondamentali o colori dell iride o spettro della luce visibile. La separazione dei colo che compongono la luce è indicata con il nome di dispersione e può essere ottenuta inviando attraverso un prisma di vetro un sottile fascio di luce bianca. Ciascuna componente monocromatica dello spettro è deviata di un angolo diverso, il rosso subisce la minima deviazione, e gli altri colori, nell ordine in cui sono stati sopra elencati subiscono deviazioni via via crescenti. I colori dello spettro di dispersione se ricombinati danno nuovamente luogo alla luce bianca. A differenza della luce bianca, un raggio monocromatico non può essere nuovamente scomposto. L indice di rifrazione dipende dalla frequenza della luce, che si propaga nel materiale, in particolare, l indice di rifrazione diminuisce al diminuire della frequenza (cioè all aumentare della lunghezza d onda) questo spiega perché la luce violetta è più deviata della luce rossa.

6 Arcobaleno Il colore di un corpo viene determinato a seconda della luce che diffonde, in particolare se un corpo viene colpito dalla luce bianca, e all occhio appare di colore rosso, questo significa che ha assorbito tutti i colori tranne il rosso. A conferma di questa tesi, si può utilizzare un corpo trasparente colorato e farlo attraversare da un raggio di luce bianca, se il vetro è di colore verde, la luce che lo attraversa possiede unicamente la componente monocromatica verde, in quanto il vetro ha assorbito tutte le altre radiazioni. Quando il raggio di luce verde attraversa il prisma, la luce non viene dispersa in altri colori.