Stage2011 dabramo-luce

07/02/2011Stage Astrofisica - Roma 1

La Natura Fisica della Luce: dai La Natura Fisica della Luce: dai corpuscoli alle onde e oltrecorpuscoli alle onde e oltre

Germano D'Abramo (INAF-IASF)Germano D'Abramo (INAF-IASF)


DomandaDomanda: Ma perché una lezione sulla Natura : Ma perché una lezione sulla Natura Fisica della Luce in uno Stage di Astrofisica?Fisica della Luce in uno Stage di Astrofisica?

RispostaRisposta: Se ci pensate bene, è solo grazie alla luce che : Se ci pensate bene, è solo grazie alla luce che noi sappiamo dell'noi sappiamo dell'esistenzaesistenza e conosciamo le e conosciamo le caratteristichecaratteristiche di di tuttitutti gli gli oggetti astronomicioggetti astronomici (pianeti, (pianeti, stelle, galassie, etc). stelle, galassie, etc).


La Luce: Cos'è? Di cosa è fatta?La Luce: Cos'è? Di cosa è fatta?

A partire dalla fine del XVI secolo si diffuse presso gli studiosi di Filosofia Naturale, la A partire dalla fine del XVI secolo si diffuse presso gli studiosi di Filosofia Naturale, la progenitrice delle scienze fisiche, un forte interesse per la progenitrice delle scienze fisiche, un forte interesse per la natura fisica della lucenatura fisica della luce. .

Le prime considerazioni sulla sua natura scaturivano da Le prime considerazioni sulla sua natura scaturivano da osservazioni comuni, quotidianeosservazioni comuni, quotidiane::

La luce sembra avere origine da sorgenti (Sole, candele, torce, etc.).La luce sembra avere origine da sorgenti (Sole, candele, torce, etc.).

Si propaga in linea retta (oggetti illuminati proiettano ombre nette).Si propaga in linea retta (oggetti illuminati proiettano ombre nette).

E' esperienza comune che quando un raggio di luce attraversa una stanza si notano E' esperienza comune che quando un raggio di luce attraversa una stanza si notano “particelle luminose” che fluttuano nell'aria (oggi sappiamo che sono particelle di polvere “particelle luminose” che fluttuano nell'aria (oggi sappiamo che sono particelle di polvere illuminate dalla luce, ma allora....).illuminate dalla luce, ma allora....).

Se un raggio di luce è riflesso da uno specchio, l'angolo di riflessione è sempre uguale Se un raggio di luce è riflesso da uno specchio, l'angolo di riflessione è sempre uguale all'angolo di incidenza (l'angolo di riflessione e l'angolo di incidenza sono misurati a all'angolo di incidenza (l'angolo di riflessione e l'angolo di incidenza sono misurati a partire dalla perpendicolare allo specchio).partire dalla perpendicolare allo specchio).


Modello corpuscolare della luceModello corpuscolare della luce

Nell'esperienza comune dell'epoca, l'unico esempio di qualcosa che si Nell'esperienza comune dell'epoca, l'unico esempio di qualcosa che si propagasse in linea retta era quello di propagasse in linea retta era quello di oggetti materialioggetti materiali (pietre, frecce, (pietre, frecce, etc) dotati di velocità elevata.etc) dotati di velocità elevata.

Da qui l'idea che la luce fosse composta da corpuscoli materiali (tanto Da qui l'idea che la luce fosse composta da corpuscoli materiali (tanto piccoli da non essere distinguibili ad occhio nudo) che si muovono nello piccoli da non essere distinguibili ad occhio nudo) che si muovono nello spazio ad alta velocità (onde “attenuare” l'effetto della gravità terrestre spazio ad alta velocità (onde “attenuare” l'effetto della gravità terrestre che tenderebbe a incurvare le loro traiettorie).che tenderebbe a incurvare le loro traiettorie).Questo è il:Questo è il:

Modello corpuscolare della luce (seconda metà del 1600)Modello corpuscolare della luce (seconda metà del 1600)

Tra i propositori e sostenitori ci furono il filosofo Pierre Gassendi e Tra i propositori e sostenitori ci furono il filosofo Pierre Gassendi e l'illustre fisico inglese Isaac Netwon. Tuttavia, le prime idee sulla natura l'illustre fisico inglese Isaac Netwon. Tuttavia, le prime idee sulla natura corpuscolare della luce risalgono al filosofo greco Lucrezio (55 B.C.) e corpuscolare della luce risalgono al filosofo greco Lucrezio (55 B.C.) e probabilmente anche a pensatori precedenti.probabilmente anche a pensatori precedenti.

Isaac NewtonIsaac Newton


Il modello corpuscolare alla prova (I)Il modello corpuscolare alla prova (I)

Nella scienza post-galileiana un modello fisico-matematico di un fenomeno naturale Nella scienza post-galileiana un modello fisico-matematico di un fenomeno naturale nasce tipicamente da osservazioni quotidiane e disorganiche del fenomeno stesso. Il nasce tipicamente da osservazioni quotidiane e disorganiche del fenomeno stesso. Il modello è una sintesi organica e raffinata di tutte le osservazioni che descrivono le modello è una sintesi organica e raffinata di tutte le osservazioni che descrivono le caratteristiche salientcaratteristiche salienti del fenomeno. Un modello fisico accettabile deve quindi:i del fenomeno. Un modello fisico accettabile deve quindi:

descrivere correttamente e nella forma (matematica) più semplice possibile (rasoio di descrivere correttamente e nella forma (matematica) più semplice possibile (rasoio di Occam) i comportamenti già conosciuti del fenomeno fisico studiato;Occam) i comportamenti già conosciuti del fenomeno fisico studiato;

dare la possibilità di prevedere comportamenti non ancora osservati del fenomeno dare la possibilità di prevedere comportamenti non ancora osservati del fenomeno fisico allo studio, e indicare come osservarli. Se questi comportamenti non si verificano, fisico allo studio, e indicare come osservarli. Se questi comportamenti non si verificano, il modello è il modello è sbagliato/incompletosbagliato/incompleto e va e va sostituito/correttosostituito/corretto. .


Il modello corpuscolare alla prova (II)Il modello corpuscolare alla prova (II)

Il modello corpuscolare sembra dare una Il modello corpuscolare sembra dare una giustificazione molto chiara e convincente giustificazione molto chiara e convincente dei comportamenti della luce comunemente dei comportamenti della luce comunemente osservati (vedi seconda trasparenza). osservati (vedi seconda trasparenza).

In particolar modo la In particolar modo la propagazione propagazione rettilinearettilinea e la e la legge di riflessionelegge di riflessione. .

Infatti, un corpuscolo materiale lanciato ad Infatti, un corpuscolo materiale lanciato ad elevata velocità si comporta come un elevata velocità si comporta come un raggio di luce, si propaga in modo quasi raggio di luce, si propaga in modo quasi rettilineo. Inoltre, rettilineo. Inoltre, una pallina che una pallina che rimbalza elasticamente su una superficie rimbalza elasticamente su una superficie dura si comporta come un raggio di luce dura si comporta come un raggio di luce che si riflette in uno specchioche si riflette in uno specchio..

Θi = Θ

r


Il modello corpuscolare alla prova (III)Il modello corpuscolare alla prova (III)

Se la luce è composta da corpuscoli che si muovono nello spazio, questi avranno una Se la luce è composta da corpuscoli che si muovono nello spazio, questi avranno una velocità, presumibilmente velocità, presumibilmente finitafinita (cioè non si propagano istantaneamente da un punto (cioè non si propagano istantaneamente da un punto all'altro dello spazio, come non succede a tutti i corpi materiali conosciuti) e all'altro dello spazio, come non succede a tutti i corpi materiali conosciuti) e verosimilmente verosimilmente altaalta..

I primi tentativi (infruttuosi) di misurare la velocità della luce risalgono già alla prima I primi tentativi (infruttuosi) di misurare la velocità della luce risalgono già alla prima metà del 1600 quando Galileo Galilei tentò di misurare il ritardo tra l'istante in cui una metà del 1600 quando Galileo Galilei tentò di misurare il ritardo tra l'istante in cui una lanterna veniva scoperta e l'instante in cui la luce veniva percepita da un osservatore in lanterna veniva scoperta e l'instante in cui la luce veniva percepita da un osservatore in cima ad una collina poco distante (~1 km). L'unica conclusione che Galileo poté trarre cima ad una collina poco distante (~1 km). L'unica conclusione che Galileo poté trarre fu che la propagazione della luce è straordinariamente rapida. fu che la propagazione della luce è straordinariamente rapida.

La prima stima quantitativa delle velocità della luce fu compiuta nel 1676 La prima stima quantitativa delle velocità della luce fu compiuta nel 1676 dall'astronomo danese Ole Roemer utilizzando una anomalia nella durata delle eclissi dall'astronomo danese Ole Roemer utilizzando una anomalia nella durata delle eclissi dei pianeti Medicei, i satelliti di Giove scoperti da Galileo. Egli ottenne un valore di dei pianeti Medicei, i satelliti di Giove scoperti da Galileo. Egli ottenne un valore di circa 210.800 km/s, molto vicino al valore attualmente conosciuto con precisione circa 210.800 km/s, molto vicino al valore attualmente conosciuto con precisione (299.792 km/s). (299.792 km/s).


Il modello corpuscolare alla prova (IV)Il modello corpuscolare alla prova (IV)

All'epoca, un altro comportamento della luce era ben All'epoca, un altro comportamento della luce era ben noto e matematicamente studiato: quello della noto e matematicamente studiato: quello della rifrazione. rifrazione. La rifrazione consiste in una deviazione La rifrazione consiste in una deviazione istantanea del percorso luminoso rettilineo quando un istantanea del percorso luminoso rettilineo quando un raggio di luce attraversa la superficie di separazione tra raggio di luce attraversa la superficie di separazione tra un mezzo poco denso (ad esempio, l'aria) e un mezzo un mezzo poco denso (ad esempio, l'aria) e un mezzo più denso (ad esempio, acqua, vetro, olio etc.). Il raggio più denso (ad esempio, acqua, vetro, olio etc.). Il raggio di luce, nel passare da un mezzo poco denso a un più di luce, nel passare da un mezzo poco denso a un più denso si avvicina all'asse verticale che è perpendicolare denso si avvicina all'asse verticale che è perpendicolare alla superficie di separazione dei due mezzi. La legge alla superficie di separazione dei due mezzi. La legge matematica che descrive questo comportamento si matematica che descrive questo comportamento si chiama chiama legge di Snell.legge di Snell.

Il modello corpuscolare spiega questo fenomeno Il modello corpuscolare spiega questo fenomeno affermando che i corpuscoli, appena si avvicinano alla affermando che i corpuscoli, appena si avvicinano alla superficie di separazione dei due mezzi, vengono attirati superficie di separazione dei due mezzi, vengono attirati verso il basso dal mezzo più denso (vedi figura) e quindi verso il basso dal mezzo più denso (vedi figura) e quindi deviano come osservato in natura.deviano come osservato in natura. Previsione fatta dal modelloPrevisione fatta dal modello: i corpuscoli luminosi : i corpuscoli luminosi accelerano nel passaggio nel mezzo più denso, quindi accelerano nel passaggio nel mezzo più denso, quindi la luce è più veloce nei mezzi densi, piuttosto che la luce è più veloce nei mezzi densi, piuttosto che nell'aria.nell'aria.

Θi

Θr


Il modello corpuscolare: prime difficoltà.Il modello corpuscolare: prime difficoltà.La DiffrazioneLa Diffrazione

Da tempo era conosciuto un fenomeno Da tempo era conosciuto un fenomeno luminoso che fu a lungo studiato dal luminoso che fu a lungo studiato dal fisico italiano fisico italiano Francesco Maria Francesco Maria GrimaldiGrimaldi intorno alla metà del 1600 e intorno alla metà del 1600 e che va sotto il nome di che va sotto il nome di diffrazionediffrazione. .

Quando un raggio di luce attraversa Quando un raggio di luce attraversa una fenditura opportunamente stretta o una fenditura opportunamente stretta o un foro opportunamente piccolo, un foro opportunamente piccolo, dall'altra parte del foro o della fenditura dall'altra parte del foro o della fenditura non si produce un'ombra netta ma una non si produce un'ombra netta ma una sorta di ombra con i contorni diffusi.sorta di ombra con i contorni diffusi.

Il modello corpuscolare di Newton Il modello corpuscolare di Newton poteva spiegare, anche se con poteva spiegare, anche se con difficoltà, questo fenomeno difficoltà, questo fenomeno ascrivendolo alla deflessione dei ascrivendolo alla deflessione dei corpuscoli di luce da parte dei bordi del corpuscoli di luce da parte dei bordi del foro o della fenditura.foro o della fenditura.


Il modello corpuscolare: altre difficoltà.Il modello corpuscolare: altre difficoltà.L'interferenzaL'interferenza

Anche se altri modelli fisici sulla natura della luce Anche se altri modelli fisici sulla natura della luce venivano proposti e diffusi (come vedremo in venivano proposti e diffusi (come vedremo in seguito), il modello corpuscolare sembrò regnare seguito), il modello corpuscolare sembrò regnare incontrastato per quasi incontrastato per quasi 200 anni200 anni, anche se di tanto in , anche se di tanto in tanto si incontravano difficoltà nello spiegare alcuni tanto si incontravano difficoltà nello spiegare alcuni comportamenti della luce appena scoperti.comportamenti della luce appena scoperti.

All'inizio del 1800 il fisico e medico inglese Thomas All'inizio del 1800 il fisico e medico inglese Thomas Young propose e descrisse quello che è ormai noto Young propose e descrisse quello che è ormai noto comecome l'esperimento della doppia fenditura. l'esperimento della doppia fenditura. Quando Quando un raggio di luce attraversa due strette fenditure, un raggio di luce attraversa due strette fenditure, disposte molto vicine fra di loro, dall'altra parte dello disposte molto vicine fra di loro, dall'altra parte dello schermo schermo si crea un motivo di luci e ombre che si si crea un motivo di luci e ombre che si ripete in maniera regolare e che invade anche spazi ripete in maniera regolare e che invade anche spazi che vanno al di la della semplice ombra geometricache vanno al di la della semplice ombra geometrica . . Il fenomeno si verifica solo quando entrambe le Il fenomeno si verifica solo quando entrambe le fenditure sono apertefenditure sono aperte. .


Il modello corpuscolare: Il modello corpuscolare: dichiarazione di “morte”dichiarazione di “morte”

Se il modello corpuscolare può ancora spiegare il fenomeno della diffrazione con una Se il modello corpuscolare può ancora spiegare il fenomeno della diffrazione con una deflessione dei corpuscoli da parte dei bordi delle fenditure/fori, la disposizione regolare di deflessione dei corpuscoli da parte dei bordi delle fenditure/fori, la disposizione regolare di luci e ombre nell'interferenza richiede che i corpuscoli, dopo aver attraversato le fenditure, luci e ombre nell'interferenza richiede che i corpuscoli, dopo aver attraversato le fenditure, interagiscano fra di loro in maniera troppo complicata per essere spiegata semplicemente interagiscano fra di loro in maniera troppo complicata per essere spiegata semplicemente dal modello. dal modello.

In linea di principio, tuttavia, il modello corpuscolare potrebbe ancora farcela! Il fenomeno In linea di principio, tuttavia, il modello corpuscolare potrebbe ancora farcela! Il fenomeno dell'interferenza, per quanto minaccioso, potrebbe ancora essere domato dal modello dell'interferenza, per quanto minaccioso, potrebbe ancora essere domato dal modello corpuscolare.corpuscolare.

Il colpo definitivo al modello corpuscolare arriva con le prime misure di laboratorio della Il colpo definitivo al modello corpuscolare arriva con le prime misure di laboratorio della velocità della luce nei mezzi materiali (ad opera di Fizeau e Foucault, intorno al 1850). velocità della luce nei mezzi materiali (ad opera di Fizeau e Foucault, intorno al 1850).

Si scopre che la velocità della luce nei mezzi materiali è Si scopre che la velocità della luce nei mezzi materiali è minoreminore rispetto alla velocità rispetto alla velocità della luce nell'aria o nel vuotodella luce nell'aria o nel vuoto. .

Ma il modello corpuscolare prevedeva esattamente il Ma il modello corpuscolare prevedeva esattamente il contrariocontrario, ricordate? , ricordate?

Il modello corpuscolare è quindi non corretto perché fa previsioni opposte ciò che si Il modello corpuscolare è quindi non corretto perché fa previsioni opposte ciò che si osserva sperimentalmente!osserva sperimentalmente!


...Luci e Onde......Luci e Onde...

Quasi contemporaneamente alla nascita e Quasi contemporaneamente alla nascita e all'affermazione del modello corpuscolare (seconda all'affermazione del modello corpuscolare (seconda metà del 1600) i fisici Robert Hooke e Christiaan metà del 1600) i fisici Robert Hooke e Christiaan Huygens proposero quello che è conosciuto comeHuygens proposero quello che è conosciuto come modello ondulatoriomodello ondulatorio della luce. della luce.

Secondo questo modello, la luce si Secondo questo modello, la luce si comporta come comporta come un'onda.un'onda. Alcuni esempi di fenomeni fisici che si Alcuni esempi di fenomeni fisici che si comportano come un'onda sono: il suono, le comportano come un'onda sono: il suono, le increspature del mare, etc. Ma cos'è un'onda?increspature del mare, etc. Ma cos'è un'onda?

Un'onda è una perturbazione, una modificazione Un'onda è una perturbazione, una modificazione fisica che si propaga attraverso un mezzo con una fisica che si propaga attraverso un mezzo con una velocità che dipende dalle caratteristiche fisiche di velocità che dipende dalle caratteristiche fisiche di quest'ultimo. quest'ultimo.

Un'onda non trasferisce materia da un punto ad un Un'onda non trasferisce materia da un punto ad un altro dello spazio, come avviene lanciando un sasso, altro dello spazio, come avviene lanciando un sasso, ma solo energia.ma solo energia.


Onde periodicheSe il meccanismo che crea la perturbazione è Se il meccanismo che crea la perturbazione è periodico (come la spinta che si da a un'altalena) periodico (come la spinta che si da a un'altalena) allora le onde prodotte nel mezzo sono allora le onde prodotte nel mezzo sono periodicheperiodiche. Un'onda è . Un'onda è periodicaperiodica quando, quando, fissando un punto del mezzo attraverso cui essa fissando un punto del mezzo attraverso cui essa si propaga, la perturbazione si ripete sempre allo si propaga, la perturbazione si ripete sempre allo stesso modo dopo un tempo fissato stesso modo dopo un tempo fissato T,T, detto detto periodoperiodo. Il reciproco del periodo, cioè 1/. Il reciproco del periodo, cioè 1/TT, è , è detta detta frequenzafrequenza (ν) (ν) dell'onda.dell'onda.

L'estensione della perturbazione è detta L'estensione della perturbazione è detta ampiezzaampiezza dell'onda e la distanza tra due picchi di dell'onda e la distanza tra due picchi di massima ampiezza dell'onda è dettamassima ampiezza dell'onda è detta lunghezza lunghezza d'onda d'onda (λ).(λ).

Inoltre vale:Inoltre vale:

V V = = λ/λ/ΤΤ = λν = λν

VV è la velocità di propagazione dell'onda è la velocità di propagazione dell'onda periodica nel mezzo.periodica nel mezzo.


Il modello ondulatorio alla prova (I):Propagazione rettilinea

Ma la luce sarebbe un'onda di cosa? In quale mezzo si propaga? Lasciamo per il Ma la luce sarebbe un'onda di cosa? In quale mezzo si propaga? Lasciamo per il momento da parte queste domande. Quello che ci deve interessare è che secondo il momento da parte queste domande. Quello che ci deve interessare è che secondo il modello ondulatorio modello ondulatorio la luce si comporta come un'ondala luce si comporta come un'onda. Vediamo se questo modello . Vediamo se questo modello spiega tutti i comportamenti della luce, anche quelli che hanno decretato la fine del spiega tutti i comportamenti della luce, anche quelli che hanno decretato la fine del modello corpuscolare.modello corpuscolare.

Sappiano che la luce si propaga in linea retta. Anche un'onda si propaga in linea retta. Sappiano che la luce si propaga in linea retta. Anche un'onda si propaga in linea retta. Quando nella piscina con le onde di un Acquapark l'onda viene generata, essa arriva a Quando nella piscina con le onde di un Acquapark l'onda viene generata, essa arriva a noi in direzione rettilinea. Inoltre, quando un'onda incontra uno schermo bucato (con il noi in direzione rettilinea. Inoltre, quando un'onda incontra uno schermo bucato (con il buco molto più grande della lunghezza d'onda) si produce una “ombra” geometrica buco molto più grande della lunghezza d'onda) si produce una “ombra” geometrica netta.netta.


Il modello ondulatorio alla prova (II).Legge della riflessione


Il modello ondulatorio alla prova (III).Legge della rifrazione

Nell'esempio qui a fianco un'onda Nell'esempio qui a fianco un'onda percorre la superficie di una vasca percorre la superficie di una vasca dall'alto a sinistra verso il basso a dall'alto a sinistra verso il basso a destra. La linea di separazione blu destra. La linea di separazione blu ci indica il passaggio da un ci indica il passaggio da un fondale più profondo a uno meno fondale più profondo a uno meno profondo. In quel punto la profondo. In quel punto la direzione di propagazione direzione di propagazione dell'onda (indicata dalle frecce) dell'onda (indicata dalle frecce) cambia proprio secondo la legge cambia proprio secondo la legge dell rifrazione (legge di Snell).dell rifrazione (legge di Snell).

Inoltre il modello ondulatorio Inoltre il modello ondulatorio prevede una prevede una velocità della luce velocità della luce minore nei mezzi più densi. minore nei mezzi più densi.

Nell'esempio, Nell'esempio, le onde d'acqua le onde d'acqua sono più lente laddove il fondale sono più lente laddove il fondale è più bassoè più basso..


Il modello ondulatorio alla prova (IV).Diffrazione


Il modello ondulatorio alla prova (V).Interferenza


Il modello ondulatorio: entra in gioco la fisica dell'elettricità e del magnetismo

Il modello ondulatorio sembra spiegare in maniera semplice e Il modello ondulatorio sembra spiegare in maniera semplice e puntuale tutti i comportamenti della luce fin qui osservati. puntuale tutti i comportamenti della luce fin qui osservati. Quindi, la luce sembra effettivamente comportarsi come Quindi, la luce sembra effettivamente comportarsi come un'onda. Ma un onda fatta di cosa? Il suono è un onda di un'onda. Ma un onda fatta di cosa? Il suono è un onda di pressione che si propaga nell'aria. Le onde del mare sono pressione che si propaga nell'aria. Le onde del mare sono perturbazioni della superficie dell'acqua. perturbazioni della superficie dell'acqua.

Verso la fine del 1800 i fenomeni elettrici e magnetici, Verso la fine del 1800 i fenomeni elettrici e magnetici, conosciuti sin dall'antichità, erano stati studiati conosciuti sin dall'antichità, erano stati studiati approfonditamente e si era giunti a una sintesi matematica approfonditamente e si era giunti a una sintesi matematica molto sofisticata. molto sofisticata.

Nel 1873 il fisico scozzese James Clerk Maxwell pubblica le Nel 1873 il fisico scozzese James Clerk Maxwell pubblica le sue famose equazioni del campo elettromagnetico. Queste sue famose equazioni del campo elettromagnetico. Queste equazioni descrivono come si comportano i campi elettrici e equazioni descrivono come si comportano i campi elettrici e magnetici nello spazio: alcune soluzioni di queste equazioni magnetici nello spazio: alcune soluzioni di queste equazioni prevedono che le perturbazioni dei campi elettrico (E) e prevedono che le perturbazioni dei campi elettrico (E) e magnetico (B) si magnetico (B) si propaghino nello spazio come ondepropaghino nello spazio come onde, la cui , la cui velocità velocità c c si ricava da due costanti fisiche già conosciute.si ricava da due costanti fisiche già conosciute.


Il modello ondulatorio: le onde elettromagnetiche

L'aspetto veramente sorprendente fu che L'aspetto veramente sorprendente fu che la la velocità dell'onda ricavata dalle equazioni di velocità dell'onda ricavata dalle equazioni di Maxwell corrispondeva proprio alla velocità Maxwell corrispondeva proprio alla velocità della luce, il cui valore era già conosciuto della luce, il cui valore era già conosciuto grazie alle misurazioni di Fizeau e Foucault.grazie alle misurazioni di Fizeau e Foucault.

I fisici di fine Ottocento ottennero un grande I fisici di fine Ottocento ottennero un grande successo:successo: la luce è dunque un'onda che si la luce è dunque un'onda che si propaga attraverso il campo propaga attraverso il campo elettromagnetico che riempie tutto lo spazio elettromagnetico che riempie tutto lo spazio intorno a noi, anche lo spazio vuotointorno a noi, anche lo spazio vuoto..

La sua velocità La sua velocità c c è una costante fisica, poiché è una costante fisica, poiché deriva da altre due costanti fisiche deriva da altre due costanti fisiche (permeabilità magnetica e permittività elettrica (permeabilità magnetica e permittività elettrica del vuoto). Questo diede anche lo spunto ad del vuoto). Questo diede anche lo spunto ad Albert Einstein per sviluppare la sua Teoria Albert Einstein per sviluppare la sua Teoria della Relatività Speciale.della Relatività Speciale.


Lo spettro elettromagneticoLo spettro elettromagnetico è l'equivalente per la luce delle “analisi del sangue”: ci dice

tutto sulle caratteristiche di un onda elettromagnetica e tutto su chi la produce.


...tuttavia un'anomalia era in agguato: l'effetto fotoelettrico

Nel 1887 il fisico tedesco Heinrich Hertz scoprì un Nel 1887 il fisico tedesco Heinrich Hertz scoprì un particolare tipo di interazione tra luce e materia:particolare tipo di interazione tra luce e materia: l'effetto fotoelettrico.l'effetto fotoelettrico.

L'effetto fotoelettrico consiste nell'emissione di elettroni L'effetto fotoelettrico consiste nell'emissione di elettroni da una superficie, solitamente metallica, quando questa da una superficie, solitamente metallica, quando questa viene investita da una radiazione elettromagnetica viene investita da una radiazione elettromagnetica avente una certa frequenza.avente una certa frequenza.

Dal modello ondulatorio della luce ci si aspettava che Dal modello ondulatorio della luce ci si aspettava che una una maggiore intensità della lucemaggiore intensità della luce (che corrisponde ad (che corrisponde ad una maggiore una maggiore ampiezzaampiezza dell'onda e quindi ad una dell'onda e quindi ad una maggiore energia) avrebbe portato all'emissione di maggiore energia) avrebbe portato all'emissione di elettroni con una elettroni con una maggiore velocitàmaggiore velocità (maggiore energia (maggiore energia cinetica).cinetica).

Invece, nell'effetto fotoelettrico con una luce più intensa Invece, nell'effetto fotoelettrico con una luce più intensa aumenta solo il numero degli elettroni emessi, non la aumenta solo il numero degli elettroni emessi, non la loro energia cinetica e velocità.loro energia cinetica e velocità.


La rivincita dei corpuscoli!

Inoltre, Inoltre, si era notato che se la frequenza della luce che si era notato che se la frequenza della luce che illuminava il metallo era maggiore (vedi spettro), illuminava il metallo era maggiore (vedi spettro), l'energia, e quindi la velocità degli elettroni emessi era l'energia, e quindi la velocità degli elettroni emessi era maggioremaggiore..

Nel 1905 il famoso fisico tedesco Albert Einstein propose Nel 1905 il famoso fisico tedesco Albert Einstein propose un modello fisico per spiegare questo fenomeno, che un modello fisico per spiegare questo fenomeno, che rivoluzionò la fisica e segnò in effetti la nascita della rivoluzionò la fisica e segnò in effetti la nascita della meccanica quantistica.meccanica quantistica.

Einstein suppose che la luce fosse costituita da quantità Einstein suppose che la luce fosse costituita da quantità discrete, chiamate discrete, chiamate fotonifotoni. Essi erano delle vere e proprie . Essi erano delle vere e proprie particelle, particelle, e quindi la luce tornava ad essere formata da e quindi la luce tornava ad essere formata da corpuscolicorpuscoli. Ad ogni fotone Einstein associa una energia . Ad ogni fotone Einstein associa una energia pari apari a

E=hE=hνν

Dove Dove hh è una costante (la costante di Planck) e è una costante (la costante di Planck) e ν ν è la è la frequenza della luce che si sta considerandofrequenza della luce che si sta considerando..

Albert Einstein


I fotoni

Il modello corpuscolare di Einstein spiega con semplicità tutte le caratteristiche Il modello corpuscolare di Einstein spiega con semplicità tutte le caratteristiche dell'effetto fotoelettrico. dell'effetto fotoelettrico.

Una luce con frequenza maggiore è fatta di fotoni che hanno singolarmente più energia Una luce con frequenza maggiore è fatta di fotoni che hanno singolarmente più energia e quindi gli elettroni vengono espulsi dal metallo a maggiore velocità. Inoltre, una luce e quindi gli elettroni vengono espulsi dal metallo a maggiore velocità. Inoltre, una luce più intensa ha più fotoni “dentro” e quindi se si aumenta l'intensità della luce, aumenta il più intensa ha più fotoni “dentro” e quindi se si aumenta l'intensità della luce, aumenta il numero di elettroni espulsi (uno per fotone), ma non la loro velocità.numero di elettroni espulsi (uno per fotone), ma non la loro velocità.

Il modello corpuscolare di Einstein è ovviamente molto diverso da quello pensato da Il modello corpuscolare di Einstein è ovviamente molto diverso da quello pensato da Newton.Newton.

Un primo aspetto curioso è che l'energia di ogni fotone è proporzionale alla Un primo aspetto curioso è che l'energia di ogni fotone è proporzionale alla frequenzafrequenza della luce di cui fa parte. della luce di cui fa parte. Ma la frequenza non è una grandezza propria di un'onda?Ma la frequenza non è una grandezza propria di un'onda?

……E ritornare a una luce fatta di corpuscoli non crea problemi nella spiegazione E ritornare a una luce fatta di corpuscoli non crea problemi nella spiegazione della rifrazione, diffrazione e interferenza?della rifrazione, diffrazione e interferenza?


Dualismo onda-corpuscolo

Il punto è che per alcuni comportamenti (diffrazione, interferenza, etc.) la Il punto è che per alcuni comportamenti (diffrazione, interferenza, etc.) la luce si comporta come un'onda, per altri (l'effetto fotoelettrico) essa si luce si comporta come un'onda, per altri (l'effetto fotoelettrico) essa si comporta come se fosse costituita da corpuscoli.comporta come se fosse costituita da corpuscoli.

La profonda e sconvolgente acquisizione della Meccanica Quantistica La profonda e sconvolgente acquisizione della Meccanica Quantistica della prima metà del 1900 è che della prima metà del 1900 è che la luce è contemporaneamente onda e la luce è contemporaneamente onda e corpuscolo. In alcuni casi ci conviene trattarla come onda in altri corpuscolo. In alcuni casi ci conviene trattarla come onda in altri come costituita di corpuscolicome costituita di corpuscoli..

A livello indicativo, quando abbiamo a che fare con basse frequenze A livello indicativo, quando abbiamo a che fare con basse frequenze (onde radio, microonde, etc) trattiamo la luce matematicamente come (onde radio, microonde, etc) trattiamo la luce matematicamente come un'onda, Quando abbiamo a che fare con alte frequenze (ultravioletto, un'onda, Quando abbiamo a che fare con alte frequenze (ultravioletto, raggi X e raggi raggi X e raggi γγ) la trattiamo matematicamente come se fosse costituita ) la trattiamo matematicamente come se fosse costituita da corpuscoli.da corpuscoli.

Il principio di complementarità di Niels Bohr afferma che Il principio di complementarità di Niels Bohr afferma che ogni ogni particella elementare (elettrone, protone, etc.) mostra una duplice particella elementare (elettrone, protone, etc.) mostra una duplice natura, sia corpuscolare che ondulatoria.natura, sia corpuscolare che ondulatoria.

Niels Bohr


La diffrazione dell'elettrone!


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