LA DOPPIA NATURA DELLA LUCE

La luce proveniente dal Sole e dalle Stelle ci può fornire diverse informazioni che vanno dagli elementi presenti in una stella, alla sua evoluzione, o, ancora sulla sua temperatura. Quasi tutto ciò che sappiamo sulla struttura atomica, deriva dall’analisi della luce emessa o assorbita dalle sostanze.

Gli scienziati hanno impiegato alcuni secoli prima di spiegare i fenomeni luminosi che possiamo osservare, ma è soltanto dallo scorso secolo che Max Planck e Albert Einstein hanno elaborato teorie che ci permettono di affermare che la luce presenta sia un aspetto ondulatorio, sia uno corpuscolare.

Maxwell nella seconda metà dell’800 afferma che la luce è un particolare tipo di onda elettromagnetica creata da una rapidissima oscillazione di cariche elettriche; infatti è noto dalla fisica che, una corrente elettrica oscillante origina un’onda magnetica.

La luce è un particolare tipo di onda elettromagnetica; l’insieme delle onde costituisce lo spettro elettromagnetico.

Le onde si distinguono per la frequenza  (ni) e la lunghezza d’onda (lambda); ciò che le accomuna è invece la velocità c con cui si propagano nel vuoto cioè 300000 Km al s.

La frequenza  viene misurata  in hertz, le  frequenze  dello  spettro elettromagnetico  vanno da 10⁵ a

10³⁰ Hz.

La luce visibile è una porzione molto piccola dello spettro elettromagnetico: tutte le radiazioni hanno una lunghezza d’onda che va dai 400 ai 700 nm (nanometri) che noi percepiamo come luce bianca.

La relazione che lega le tre grandezze caratteristiche delle onde elettromagnetiche è:

C = λ · ν

λ (lambda)  e ν (ni)sono grandezze inversamente proporzionali: a grandi frequenze corrispondono piccole lunghezze d’onda e viceversa.

 

La natura ondulatoria della luce è legata al fenomeno della diffrazione: questo si verifica quando un fascio di luce giunge su una fenditura avente dimensioni confrontabili con con la lunghezza d'onda.

Dopo avere oltrepassato l'ostacolo, la luce non si propaga più in linea retta e origina delle bande chiare e scure alternate, chiamate frange di interferenza.

Le frange chiare sono dovute a interferenza positiva causata da più onde in fase che si rafforzano aumentando la luminosità, quelle scure sono dovute a interferenza negativa e sono prodotte da onde in discordanza di fase: le ampiezze si annullano e scompare la luminosità.

Quando la luce interagisce con la materia, si evidenzia la sua natura corpuscolare: infatti proiettando un fascio di luce ultravioletta prodotta da una lampada a vapori di mercurio, su una lamina di zinco, possiamo provocare l'espulsione di elettroni dalla lamina metallica.

Questo fenomeno prende il nome di effetto fotoelettrico, ed è stato scoperto da Lenard nel 1902, egli misurò sia gli elettroni emessi in un secondo, sia la velocità con cui venivano scalzati dal metallo. Se si usava una radiazione più intensa aumentava il numero di elettroni emessi, ma non la velocità; per aumentare quest'ultima si doveva utilizzare una radiazione con frequenza maggiore, mentre al di sotto di una frequenza minima l'efetto fotoeletrico non si manifesta.

 

Questo fenomeno non può essere spiegato considerando la luce in termini ondulatori, si può spiegare immaginando ogni raggio di luce come un insieme di "pacchetti"  di energia, tanto più numerosi, quanto più intenso è il raggio.

Gli elettroni per essere liberati dal metallo, devono acquisire l'energia necessaria a vincere le forze che li temgono uniti al metallo; se i "pacchetti" giungono sul metallo, ma sono troppo deboli, non vi è emissione di elettroni.

Questi "pacchetti" di energia vengono chiamati quanti o fotoni; la relazione che esprime questo comportamento è conosciuta come  relazione si Planck - Einstein:

E = h ν

Dove E è l’energia del fotone, ν la frequenza e h la costante di Planck con valore uguale a 6,63 10^-34

J s. All’aumentare della frequenza, aumenta l’energia trasportata dalla radiazione elettromagnetica.

Possiamo anche scrivere:

E = h c/λ

Entrambe le formule evidenziano la doppia natura della luce: nella sua propagazione manifesta l’aspetto ondulatorio, nell’interazione con la materia, evidenzia l’aspetto corpuscolare, cioè si comporta come un insieme di fotoni a ciascuno dei quali corrisponde una determinata energia; i fotoni sono privi di massa, e sono quindi considerati “pacchetti di energia”.