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La
luce è una particolare
radiazione elettromagnetica associata ad un’onda di frequenza e lunghezza ben determinata. Si parla di “
luce visibile” per distinguerla da quella non visibile all’occhio umano, quando l’onda è percepita dal nostro occhio e dal nostro cervello come un particolare colore.
Per questo motivo generalizzando il concetto di
colore, quando un’onda ha una precisa frequenza e lunghezza, viene anche detta “
monocromatica”. Altre frequenze sono invece non percepibili dall’occhio: prima del violetto (raggi ultravioletti, raggi X, raggi gamma) e dopo il rosso (infrarossi, microonde, onde radio).
Immagine rilasciata con autorizzazione Creative commons - fonte: WikipediaLa luce visibile è composta da onde con lunghezze d’onda appartenenti ad un particolare intervallo: da 350 nm a 700
nm circa. Per lunghezza d’onda si intende la distanza tra due “creste” o due “ventri” successivi di una medesima onda.
In realtà il mondo che noi siamo abituati a vedere è determinato dal modo in cui la luce interagisce con gli oggetti che ci circondano.
Si tratta di capire in sostanza cosa accade alla luce quando incontra la materia.
Un raggio luminoso emesso da una sorgente, quando incontra la materia, viene sempre in parte:
- riflessa: una parte del raggio viene deviata con un angolo uguale a quello di incidenza;
- trasmessa: una parte del raggio trasmesso penetra nella materia e ne esce dall’altra parte secondo una direzione diversa da quella di entrata (si tratta del fenomeno della rifrazione).
- assorbita: la parte del raggio assorbito penetra nella materia ma non ne esce. Ciò incrementa l’energia interna, cioè il calore della materia.
Per la
legge di conservazione dell’energia, la somma delle quantità di energia assorbita, riflessa e trasmessa è uguale alla quantità di energia della luce incidente (cioè della totalità della luce che parte da una sorgente e colpisce la materia).
A seconda del fenomeno studiato, la luce si comporta a volte come un’onda, a volte come una particella. In quest’ultimo caso, secondo il modello corpuscolare della radiazione, la luce è composta da
pacchetti o fasci di
fotoni (i fotoni vengono anche chiamati
quanti) che trasportano l’energia elettromagnetica da un punto ad un altro dello spazio. Sulla base di queste considerazioni, nel modello standard della fisica delle particelle elementari, i fotoni sono descritti come particelle mediatrici dell’interazione elettromagnetica.
La velocità della luce nel vuoto è di circa 300.000 km/s. È importante sottolineare nel vuoto, perché un’onda si propaga nel mezzo con velocità diverse, tipiche del mezzo e della lunghezza d’onda.
Ad esempio, usando dati approssimati, la velocità della luce nell’ambra è di 200.000 km/s, per cui l’indice di rifrazione dell’ambra è pari a 1,5 (= 300.000 / 200.000).
L’indice di rifrazione “n” è infatti pari al rapporto fra “c” (velocità della luce nel vuoto, dal latino celeritas = velocità) e “v” (velocità della luce nel mezzo materiale). Il minimo indice di rifrazione, pari ad 1, è quello del vuoto (= 300.000 / 300.000). Quanto più è piccola la velocità della luce nel mezzo, tanto più grande sarà l’indice di rifrazione del mezzo stesso. Indici di rifrazione molto vicini ad uno sono caratteristici dell’aria, dell’idrogeno, dell’anidride carbonica. Il diamante ha invece un indice di rifrazione di 2,419.
Fu
Newton a scoprire che quando la luce solare attraversa un prisma trasparente essa viene suddivisa nei colori componenti: dal rosso al violetto, passando per l’arancione, il giallo, il verde e il blu. Newton dette a questa distribuzione regolare il nome di “spettro” (dal latino spectrum = immagine), e dimostrò che i colori erano una proprietà intrinseca della luce della sorgente e non erano dovuti al prisma impiegato per scomporla.
Come abbiamo prima accennato, la luce che incide su una superficie viene in parte riflessa, in parte trasmessa e in parte assorbita. Ciò dipende dalla composizione della sostanza, cioè dalla capacità di assorbire o diffondere la luce degli atomi o delle molecole (= insiemi di atomi legati) che la compongono. Ogni specie atomica e molecolare assorbe ed emette radiazione solo a specifiche frequenze, mentre è trasparente a tutte le altre. Così, le particelle che compongono la sostanza sono le responsabili del colore percepito della sostanza stessa.
Non è soltanto il Sole a produrre luce. Ad esempio quando una sostanza brucia, emette luce, oppure quando un certo tipo di materiale viene colpito da raggi ultravioletti, emette radiazione (fenomeno della
fluorescenza).
La fluorescenza si distingue dalla
fosforescenza in quanto i materiali fluorescenti hanno la capacità di emettere luce quando sono stimolati, ma al cessare dello stimolo tornano opachi. Nei materiali fosforescenti, invece, la luce continua ad essere emessa anche dopo la fine dello stimolo.
Questo tipo di emissione luminosa si sviluppa in due fasi: dapprima gli elettroni degli atomi che costituiscono il materiale assorbono energia dalla radiazione incidente (
fotoassorbimento) e passano ad un livello energetico superiore (abbiamo detto prima che la luce assorbita è quella che penetra ma non fuoriesce, quindi incrementa l’energia del corpo ricevente); poi ciascuno degli elettroni eccitati torna al livello originario facendo vari “salti” tra un livello energetico e l’altro, emettendo perciò fotoni meno energetici di quelli assorbiti. Ecco perché il materiale assorbe raggi ultravioletti e poi emette luce visibile (i raggi ultravioletti sono più energetici della luce visibile, i raggi X lo sono ancora di più e i raggi gamma, posti all’estremo dello spettro elettromagnetico, sono i più energetici di tutti).
La luce è anche causa dell’
effetto fotoelettrico. Quando una particolare frequenza investe una superficie metallica, gli elettroni della banda di conduzione possono ricevere abbastanza energia per fuggire dal metallo stesso. Se gli elettroni vengono raccolti in un conduttore, sono in grado di fornire un segnale di corrente. Ricordiamo, per inciso, che la scoperta della legge relativa all’effetto fotoelettrico ha fruttato ad
Albert Einstein il premio
Nobel per la Fisica. Che, curiosamente, gli venne consegnato a prescindere dalla teoria della relatività e della gravitazione, per la quale l’Accademia delle Scienze svedese restava in attesa di eventuali conferme sperimentali (pur riconoscendone l’intrinseco valore). Ciò accadde il 9 novembre 1922, ma Einstein ritirò di fatto il premio solo nell’aprile del 1923, quando la medaglia e il diploma gli furono consegnati dall’ambasciatore svedese a Berlino.
Curiose sono la
chemioluminescenza (prodotta da reazioni chimiche), la bioluminescenza (prodotta da animali, es. lucciole), la triboluminescenza (tramite azione elettromeccanica) e l’elettroluminescenza (prodotta da scariche elettriche in un gas).
(*) supervisionato dal fisico Prof. Massimo Auci
Tra gli ospiti d'onore Samantha Cristoforetti, uno dei sei nuovi astronauti dell'ESA che sono stati assunti lo scorso anno e che da allora hanno iniziato la loro formazione di base presso il Centro Europeo degli Astronauti (EAC) dell'ESA a Colonia, in Germania.
