La luce Amaldi, L Amaldi 2.0 Zanichelli editore 2010

Transcript

1 La luce

2 Onde o corpuscoli?

3 Modello corpuscolare della luce Secondo Newton la luce era composta da piccole particelle, dette corpuscoli, emesse dalla sorgente luminosa, che seguivano traiettorie rettilinee finchè non urtavano contro qualcosa, rimbalzando e producendo il noto fenomeno della riflessione. Tale modello descriveva in modo efficace la formazione delle ombre nette e della riflessione ma non riusciva a spiegare,ad esempio, il fenomeno della doppia rifrazione (birifrangenza). Nell attraversare il cristallo di calcite il raggio di luce si sdoppia in due raggi rifratti dando luogo ad una doppia immagine

4 La dispersione della luce (1) Un fascio di luce bianca, dopo che ha attraversato un prisma, si suddivide nei diversi colori che costituiscono lo spettro della luce.

5 La dispersione della luce (2) Il raggio di luce blu si piega di più del raggio rosso dopo aver attraversato la lente. I due raggi rifratti non passano per lo stesso punto. La dispersione della luce è dovuta al fatto che l indice di rifrazione di una sostanza trasparente dipende dal colore.

6 La luce bianca La luce bianca è la sovrapposizione dei diversi colori dello spettro.

7 Perché il girasole è giallo?

8 I colori Ciascun colore corrisponde a una particolare frequenza e, quindi, a una particolare lunghezza d onda.

9 Gli oggetti, quando sono investiti dalla luce bianca, assorbono alcuni colori e ne riflettono altri. Il girasole è giallo perché diffonde il giallo e assorbe tutti gli altri colori. Un corpo bianco diffonde tutti i colori. Un corpo nero assorbe tutti i colori.

10 I raggi di luce Un raggio luminoso è un fascio di luce molto sottile, che rappresentiamo con una retta. Questo semplice modello della propagazione della luce è coerente sia con il modello corpuscolare (i raggi sono le traiettorie dei corpuscoli) sia con il modello ondulatorio (i raggi sono la direzione in cui si propaga l onda).

11 Le sorgenti di luce I corpi che emettono la luce sono chiamati corpi luminosi o sorgenti di luce. I raggi che essi emettono colpiscono gli altri oggetti (i corpi illuminati), sono diffusi in tutte le direzioni ed entrano, infine, nei nostri occhi.

12 Modello ondulatorio della luce Lo scienziato olandese Huygens, contemporaneo di Newton, elaborò una teoria secondo cui la luce è un onda simile a quelle che fanno vibrare l'aria o alle onde di energia meccanica che increspano la superficie dell'acqua.

13 La velocità della luce La luce percorre circa trecentomila km al secondo. La velocità della luce è la massima possibile in natura ed è sempre la stessa in tutti i sistemi di riferimento.

14 Luce e suono

15 Vi sono diversi fenomeni che il modello corpuscolare non riesce a spiegare. 1) RIFRAZIONE 2) DIFFRAZIONE E INTERFERENZA 3) BIRIFRANGENZA o RIFRAZIONE DOPPIA

16 1) La rifrazione La riga piegata : i raggi di luce riflessi dal righello, passando dall acqua all aria, si rifrangono, cioè si piegano.

17 La rifrazione La rifrazione avviene ogni volta che un raggio attraversa la separazione tra due mezzi trasparenti nei quali la luce ha velocità diverse.

18 La moneta sott acqua Una moneta che si trova sul fondo è vista come se stesse più in alto.

19 Agli inizi del 1800 alcuni esperimenti misero in evidenza che la luce non sempre disegna ombre nette. La luce che attraversa una fenditura molto sottile crea su uno schermo una serie di frange luminose alternate a zone scure. Questo fenomeno non poteva essere spiegato dal modello corpuscolare che prevedeva il formarsi di una sola striscia di luce, circondata da due zone d ombra.

20 2) La diffrazione e interferenza Il modello corpuscolare della luce non è in grado di spiegare il fenomeno della diffrazione. Si ha diffrazione quando la luce aggira gli ostacoli (non si propaga in linea retta) e invade quella che dovrebbe essere una zona d ombra. Se un fascio di luce passa attraverso una fenditura larga, sullo schermo compare una sola striscia luminosa.

21 Restringendo la fenditura, compaiono delle frange luminose alternate a zone scure.

22 La diffrazione dell acqua La diffrazione è molto marcata quando la fenditura ha dimensioni simili a quelle della lunghezza d onda.

23 Se il modello corpuscolare non riesce a spiegare la diffrazione, la luce è un onda?

24 La questione restava ancora aperta Solo nel 1801 Thomas Young, riuscì a produrre figure di interferenza a partire da luce proveniente da due piccoli forellini a distanza ravvicinata su una lastra opaca.

25 Anche la luce interferisce λ=yd/l

26 Massimi e minimi

27 L interferenza Si ha interferenza quando due onde si propagano nello stesso mezzo: in alcuni punti gli effetti si rinforzano (interferenza costruttiva), in altri si annullano (interferenza distruttiva). Le increspature sulla superficie dell acqua hanno una struttura detta figura di interferenza. Immergiamo nell acqua due punte che salgono e scendono insieme. Esse generano due onde circolari con la stessa lunghezza d onda.

28 Interferenza costruttiva L interferenza costruttiva si ha quando le due onde oscillano in fase (giungono insieme al valore massimo e a quello minimo).

29 Interferenza distruttiva L interferenza distruttiva si ha quando le onde oscillano in opposizione di fase (una raggiunge il massimo quando l altra è al minimo).

30 L esperimento di Young fu dunque decisivo per l affermazione di una teoria ondulatoria della luce. Questo modello si impose alla fine del 1800, quando trovò conferma nella previsione di Maxwell, secondo cui: La luce è un onda elettromagnetica: la perturbazione è costituita da campi elettrici e magnetici oscillanti che si propagano anche nel vuoto.

31 3) BIRIFRANGENZA Da Enciclopedia Treccani online In ottica, proprietà di sostanze otticamente anisotrope (generalmente cristalli) di dar luogo al fenomeno della doppia rifrazione (o birifrazione), consistente nello sdoppiamento di un raggio incidente in due raggi rifratti (eventualmente sovrapposti). I due raggi hanno diverse velocità di propagazione (e quindi corrispondono a essi indici di rifrazione diversi) e risultano polarizzati linearmente in due piani tra loro perpendicolari. Il fenomeno, particolarmente evidente nei cristalli limpidi di calcite (spato d Islanda), fu scoperto nel 1669 da Rasmus Bartholin e studiato successivamente da Ch. Huygens e da A.-J. Fresnel, al quale si deve una esauriente teoria, che è stata successivamente rielaborata nell ambito della teoria elettromagnetica della luce. Anisotropia = proprietà fisica dei cristalli per la quale il comportamento rispetto a coesione, dilatabilità, conduttività elettrica, trazione, velocità di propagazione di calore, suono, luce, etc. dipende dalla direzione considerata. E' legata all'intima struttura dei cristalli.

32 Onde o particelle? La natura della luce tornò di nuovo alla ribalta quando Einstein, nel 1905, pubblicò un importante lavoro in cui mostrava che bisognava utilizzare un modello corpuscolare, e non ondulatorio, per spiegare l effetto fotoelettrico. L effetto fotoelettrico consiste nell estrazione di elettroni da un metallo ad opera di un fascio di luce incidente avente una particolare lunghezza d onda.

33 Effetto fotoelettrico Einstein spiegò il fenomeno in questo modo: i corpuscoli di luce, detti fotoni, urtano contro gli elettroni del metallo, trasferendo loro energia e quantità di moto, così come avviene negli urti a livello macroscopico.

34 Conclusione: Sia onda che corpuscolo Oggi le due interpretazioni, ondulatoria e corpuscolare, coesistono: a ciascuna è assegnato il proprio ambito di validità. In certe situazione la luce si comporta come un onda, in altre come una pioggia di corpuscoli chiamati fotoni.

35 LA LUCE 9 STORIA DELLA FISICA La natura ondulatoria della luce La propagazione rettilinea dei raggi luminosi, studiata a lungo da Isaac Newton, aveva indotto lo scienziato inglese a formulare un ipotesi corpuscolare sulla natura della luce. I risultati presentati nella sua Ottica erano basati sull assunto che la luce fosse composta da piccoli granelli che, così come palline materiali, seguivano traiettorie rettilinee finché non urtavano contro qualcosa, rimbalzando e producendo il noto fenomeno della riflessione. Questa concezione fu dominante nella comunità scientifica per circa un secolo, nonostante importanti e fondate opposizioni. Doppia rifrazione in un cristallo di calcite: Diversi scienziati erano convinti che la luce avesse una natura ondulatoria, cioè che si dovesse rappresentare come un onda che si nell attraversare il cristallo il raggio di luce si sdoppia in due raggi rifratti dando luogo a una doppia immagine. propaga piuttosto che come una particella che si sposta. C erano infatti fenomeni che la teoria corpuscolare non riusciva a spiegare, come la doppia rifrazione (o birifrangenza). t t L ipotesi ondulatoria t Lo scienziato olandese Hans Christiaan Huy gens, contemporaneo di Newton, era fra quelli che sostenevano la natura ondulatoria della luce. Elaborò una teoria che P 1 spiegava le leggi della riflessione e della rifrazione basandosi su un assunto oggi noto come principio di Huygens. Tale principio spiegava tutti i fenomeni ottici noti P 2 al tempo, compresa la doppia rifrazione e anche la propagazione rettilinea secondo raggi, che sembrava essere il punto di forza della teoria corpuscolare. S P 3 L idea principale di Huygens era che ciascun punto della superficie di un fronte d onda sferico, generato da una sorgente primaria S, può essere considerato il centro di una nuova onda sferica secondaria P i P, in modo tale che istante per istante il 4 fronte d onda risultante è tangente a ciascuna P i. Per il principio di Huygens ciascun punto di un fronte La teoria ondulatoria d onda sferico è sorgente di onde sferiche. La questione restava comunque aperta e la comunità scientifica propendeva ancora per l ipotesi corpuscolare. In effetti, in quanto onda, la luce avrebbe dovuto mostrare interferenza, ma nessuno era mai riuscito a produrre un fenomeno interpretabile in tal modo. Solo nel 1801 ciò avvenne a opera di Thomas Young, che produsse figure di interferenza a partire da luce proveniente da due piccoli forellini praticati a distanza ravvicinata su una lastra opaca. L esperimento di Young fu dunque decisivo per l affermazione di una teoria ondulatoria della luce, la quale guidò con successo l indagine scientifica per tutto il XIX secolo. Onde o particelle? La natura della luce tornò di nuovo alla ribalta circa un secolo dopo, quando Einstein, nel 1905, pubblicò un importante lavoro con il quale mostrava che, per spiegare alcuni fenomeni allora incomprensibili, era necessario abbandonare la teoria ondulatoria e utilizzare un modello corpuscolare. Così come la doppia rifrazione creava problemi alla teoria di Newton, l effetto fotoelettrico metteva in crisi quella ondulatoria. Il fenomeno consiste nell estrazione di elettroni da un metallo a opera di un fascio di luce incidente avente una particolare lunghezza d onda. Einstein propose una spiegazione in termini di corpuscoli di luce, detti oggi fotoni, che urtano contro gli elettroni del metallo trasferendo loro energia e quantità di moto, così come avviene negli urti a livello macroscopico. Oggi le due interpretazioni, ondulatoria e corpuscolare, coesistono: non si considera l una errata rispetto all altra, ma a ciascuna è assegnato il proprio ambito di validità. Per esempio, per spiegare l effetto fotoelettrico si utilizza il modello corpuscolare, mentre per spiegare una figura di interferenza si ricorre al modello ondulatorio. Furrfu DOMANDA L esperimento di Young è una pietra miliare della fisica. Perché l interferenza della luce non viene osservata comunemente? Rispondi in 10 righe. 2

36 La luce Quando un raggio di luce colpisce un prisma di vetro subisce, per rifrazione, una scomposizione delle radiazioni che lo costituiscono generando uno spettro colorato. Dopo una pioggia, le goccioline di acqua sospese nell'aria possono comportarsi da singoli prismi scomponendo la luce del Sole con il risultato ben noto dell'arcobaleno. Se la luce considerata è quella del Sole, per definizione bianca, con il prisma si ottengono i 6 colori dell'arcobaleno, ossia violetto, blu, verde, giallo, arancione e rosso. L'indaco non è un colore specifico ma una variante di blu, è per questo che i colori dell'arcobaleno sono 6 e non 7. I colori dal rosso al violetto sono quelli che fanno parte del cosiddetto spettro visibile, cioè sono quella parte della luce che è visibile ai nostri occhi. Fu Newton nel 1666 a scomporre la luce solare per primo con un prisma per studiarne le proprietà. In tal modo ha dato vita alla spettroscopia, che analizza le radiazioni emesse da una sorgente per comprenderne le proprietà fisiche e chimiche. In realtà il Sole produce luce, ossia radiazione elettromagnetica, che va dai raggi gamma fino alle onde radio ed il visibile è solo una piccolissima parte di tutto quello che invia verso lo spazio, Terra compresa. Con λ (lambda) si indica la lunghezza d'onda, espressa nella figura seguente in m e in nm (=nanometri ossia 10-9 m) per lo spettro visibile.

37 Esistono 2 differenti tipi di spettri: di emissione e di assorbimento. Quelli di emissione possono essere continui o a righe, quelli di assorbimento sono a righe. 1) Spettri di emissione continui. In questi spettri sono presenti tutte le radiazioni in modo continuo e senza lacune, dal violetto al rosso per quanto riguarda il visibile. Si ottengono da un solido o un liquido incandescente, cioè riscaldato fino a quando inizia ad emettere luce, oppure da un gas denso riscaldato, la luce prodotta viene fatta passare attraverso una fenditura e poi un prisma, che la scompone in uno spettro continuo. Un esempio nella vita quotidiana ci viene dalle lampade ad incandescenza, in cui un filamento di tungsteno è riscaldato e portato appunto all'incandescenza tramite il passaggio di una corrente elettrica, la loro emissione è in buona parte assimilabile a quella di un corpo nero, cioè generano uno spettro di emissione continuo. 2) Spettri di emissione a righe. Si ottengono usando come sorgente un gas rarefatto, cioè a densità e pressione basse, che viene riscaldato o colpito da una scarica elettrica. Lo spettro prodotto dal gas non è continuo ma a righe (sottili se il gas è formato da atomi, a bande se il gas è formato da molecole) diversamente colorate e su uno sfondo nero. Ogni elemento chimico della tavola periodica ha uno suo determinato spettro di emissione a righe (ma anche di assorbimento, vedi avanti) che lo caratterizza, un po' quello che valgono per noi esseri umani le impronte digitali, che sono segni distintivi ed identificativi di una determinata persona. Tali spettri non si limitano al visibile ma comprendono anche regioni esterne al rosso ed al violetto. Sul seguente sito è possibile osservare, per tutti i tipi di atomi della tavola periodica, i relativi spettri di emissione e di assorbimento compresi nel visibile. Usare Firefox ed eventuali componenti aggiuntivi richiesti. 3) Spettri di assorbimento (a righe). Si ottengono quando la luce viene fatta passare attraverso un gas a bassa pressione e meno caldo della sorgente. In questo caso il gas assorbe solo alcune delle radiazioni. Se poi la luce che ha attraversato il gas viene fatta passare attraverso un prisma, si ottiene uno spettro di assorbimento caratterizzato dal presentare uno sfondo colorato dal rosso al violetto interrotto da righe nere, che corrispondono alle radiazioni assorbite dal gas. In definitiva lo spettro di assorbimento è il negativo dello spettro di emissione per uno stesso elemento chimico e consente di identificarlo. Gli spettri emessi dalle stelle sono in gran parte di assorbimento: infatti la radiazione viene prodotta nel nucleo della stella, a seguito del processo di fusione termonucleare, e poi raggiunge lo spazio esterno dopo aver attraversato i gas che compongono l'atmosfera

38 della stella. Quindi dall'esame degli spettri di assorbimento possiamo conoscere in modo molto accurato la composizione chimica dell'atmosfera di una qualsiasi stella senza la necessità di esami diretti che, viste le distanze esistenti, al momento e, forse, per sempre, sono impossibili. Anche la luce solare scomposta da un prisma, se esaminata a fondo, non produce uno spettro di emissione ma di assorbimento, pertanto non continuo ma a righe. Lo spettrografo è uno strumento utilizzato in astronomia per ottenere e quindi esaminare gli spettri delle stelle.

39 Spettro di emissione nel visibile dell'atomo di idrogeno (H). Spettro di assorbimento nel visibile dell'atomo di idrogeno (H).

40 Spettro di emissione nel visibile dell'atomo di sodio (Na). Spettro di assorbimento nel visibile dell'atomo di sodio (Na).

41 Bibliografia utilizzata Geografia generale di C. Pignocchino Feyles e I. Neviani Ed. SEI prof. Luigi Cenerelli a.s