Ottica: la luce

Di Micaela Bonito.

Argomenti di ottica, dalla luce alle teorie su di essa. Spiegazioni redatte dai nostri tutor

Ottica:
Argomenti trattati:
Luce e sua propagazione - Teoria corpuscolare - Teoria ondulatoria - Teoria elettromagnetica - Teoria quantistica - La velocità della luce

Luce e sua propagazione
Una massa che oscilla genera onde elastiche, mentre una carica elettrica che oscilla genera onde elettromagnetiche. La lunghezza d’onda e la frequenza delle onde elettromagnetiche dipendono dal moto della carica elettrica; nel caso in cui il moto fosse un moto armonico semplice, la frequenza dell’onda emessa è pari alla frequenza di oscillazione.
Le onde elettromagnetiche ricoprono una ampia gamma di frequenze a cui corrispondono diverse caratteristiche onde corrispondenti.
Vi sono per esempio le radiazioni infrarosse e quelle ultraviolette.
La luce è un onda elettromagnetica la cui frequenza varia da 4*1014Hz a 8*1014 Hz.
La luce si propaga in linea retta, come tutte le radiazioni che superano la frequenza di 106Hz.
La luce può essere considerata un’onda perché dà luogo a fenomeni, quali la rifrazione, l’interferenza e la diffrazione, che sono tipici delle onde.
La vera natura della luce in realtà è molto complessa ed è stata spiegata grazie alle scoperte della fisica del XX secolo.
La luce, infatti, mostra simultaneamente proprietà che appartengono sia alle onde che alle particelle.

Nel corso della storia sono state sviluppava varie teorie che cercavano di spiegare il comportamento della luce.
Qui di seguito riportiamo le principali:

-Teoria corpuscolare
Questa teoria è stata formulata da Newton nel XVII secolo. In questo caso 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.
Prevede, infatti,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.

-Teoria ondulatoria
Questa teoria è stata formulata da C. Huygens nel 1678. In base ad essa 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.

Questa teoria permetteva di rendere conto e spiegare (anche se in maniera matematicamente complessa) un gran numero di fenomeni ed in particolare la riflessione ed alla rifrazione.
Nel 1801 Thomas Young dimostrò come i fenomeni della diffrazione 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 comunque ambiguità.

(l’immagine qui riportata rappresenta il comportamento di una onda che attraversa una doppia fenditura e l’immagine, detta figura di interferenza, che si osserva in basso)

- Teoria elettromagnetica
Maxwell propose la sua teoria alla fine del XIX secolo. Egli 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, magnetici ed ottici. Per la grandissima maggioranza delle applicazioni questa teoria è ancora utilizzata al giorno d'oggi.

- 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.
Vista la complessità della luce, come spesso accade nella fisica, si è soliti studiarla facendo dei modelli, veri sotto determinate condizioni , che ne semplificano i risultati e li rendono applicabili in articolari contesti.
In particolare vedremo che, i fenomeni della riflessione e rifrazione, potranno essere spiegati grazie a leggi in cui si fa uso solamente di relazioni geometriche. Questo tipo di fenomeni fanno parte del campo di studio della ottica geometrica.
L’insieme dei fenomeni ottici spiegati, invece, sulla base del modello ondulatorio dà luogo al campo di studio della ottica fisica.

- La velocità della luce
La luce e tutte le altre radiazioni elettromagnetiche si propagano ad una velocità costante nel vuoto, la velocità della luce.
Tale velocità rappresenta una costante fisica indicata tradizionalmente con la lettera c (dal latino celeritas, "velocità").
Indipendentemente dal sistema di riferimento di un osservatore o dalla velocità dell'oggetto che emette la radiazione, ogni osservatore otterrà lo stesso valore della velocità della luce.
Nessuna informazione può viaggiare più velocemente di c.Il valore è circa 30 centimetri per nanosecondo, precisamente
c = 299 792 458 metri per secondo,
Dal 1983, si è scelto questo valore come esatto per tarare altre costanti, tra cui il metro.