L’ UNIVERSO – 6
LA NATURA DELLA LUCE
ONDULATORIA o CORPUSCOLARE?
Quando Einstein aveva 16 anni,ai tempi del liceo,gli venne in mente un pensiero,che lo accompagnò per molti anni,una decina,fino a quando non riuscì a risolverlo e il pensiero era questo: che cosa succederebbe se ci appendessimo ad un raggio di luce ovvero se andassimo alla velocità della luce? Il paradosso stava nel fatto che andare alla velocità della luce significherebbe vedere la luce che è un campo elettromagnetico,ferma, perchè andremmo alla sua stessa velocità,sarebbe come vedere un tetto di lamiera ondulata (simile alle onde elettromagnetiche) fermo e quindi il TEMPO SI FERMEREBBE. Se andassimo alla velocità della luce vedremmo le onde elettromagnetiche che formano la luce stessa immobili.
I QUANTI
Boltzmann già nel 1872 aveva introdotto l’ipotesi che le particelle in moto in un gas avessero energie discrete,cioè dei QUANTI di energia.Una particella poteva avere 1-2 o n (enne) quanti di energia,ma non poteva avere ad esempio 1/3,1/2 di quanto. Einstein riprende questo concetto e lo conferma dicendo che quando un raggio luminoso si propaga,l’energia non si distribuisce in modo continuo ma è formata da un numero finito di QUANTI di energia localizzati in punti dello spazio i quali si muovono senza dividersi e possono essere assorbiti e generati solo nella loro interezza.
EFFETTO FOTOELETTRICO
Dopo gli studi di Thomson,fisico britannico che ha scoperto l’elettrone,si era capito che il fenomeno chiamato Effetto Fotoelettrico era dovuto all’emissione di elettroni causata da radiazioni elettromagnetiche di opportuna frequenza che agivano sulla superficie di un metallo.
Questi dati non si potevano spiegare in base alla concezione ondulatoria della luce.
A questo punto interviene Einstein e dice che la luce sia in effetti composta da corpuscoli, cioè da QUANTI DI LUCE ognuno dei quali è dotato di una energia proporzionale alla frequenza della radiazione. Egli riprende la teoria dei quanti introdotta da Planc ma la applica alla luce ottenendo i
FOTONI, una sorta di pacchetti di energia che essendo privi di massa viaggiano alla velocità della luce. Questi fotoni interagendo con gli elettroni degli atomi di una lastra metallica,trasmettono ad essi la propria energia che rompendo il legame che li tiene vincolati all’atomo,riesce a liberarli.
In fisica dello stato solido l’effetto fotoelettrico è il fenomeno fisico caratterizzato dall’emissione di elettroni da una superficie, solitamente metallica, quando questa viene colpita da una radiazione elettromagnetica, ossia da fotoni aventi una certa lunghezza d’onda,come visibile nella prossima immagine
Nella RELATIVITA’ SPECIALE si è visto quali sono le conseguenze,per esempio il fatto che quando un corpo si muove e acquista velocità paragonabile a quella della luce,la sua MASSA diventa sempre più grande,e quindi diventa sempre più difficile accelerarlo.
In realtà nulla può andare alla velocità della luce,perchè nel momento in cui si raggiungesse tale velocità,la MASSA sarebbe INFINITA e il TEMPO si fermerebbe. Quindi passeremmo allo stato di “ESSERE ASSOLUTO“.
La LUCE non può avere una massa,perchè altrimenti,come detto,questa massa dovrebbe essere infinita.
Furono ipotizzate due teorie delle radiazioni elettromagnetiche:
a)TEORIA CORPUSCOLARE
ipotizzata da Newton.
b)TEORIA ONDULATORIA
Ma agli inizi dell’800 si fece un esperimento detto Esperimento DELLE DUE FESSURE e si vide che c’erano dei fenomeni di INTERFERENZA che erano tipici delle ONDE. Questo esperimento fu considerato fondamentale.
Einstein ad un certo punto spiegò l’EFFETTO FOTOELETTRICO sostenendo la natura CORPUSCOLARE della luce,cioè ritornando alla visione di Newton ma con qualcosa di nuovo che risaliva a qualche anno prima cioè al 1900 e che era la novità di Plank cioè il fatto che questi corpuscoli dovessereo avere dei PACCHETTI DI ENERGIA QUANTIZZATI,cioè l’energia poteva arrivare solo in certe quantità.
Mettendo insieme la visione CORPUSCOLARE di Newton e la teoria dei QUANTI di energia di Plank,Einstein riuscì a spiegare l’EFFETTO FOTOELETTRICO che nessuno era riuscito a spiegare.
MA LA NATURA DELLA LUCE E’ CORPUSCOLARE O ONDULATORIA?
Con il noto esperimento della fessura,si vide che la luce si può comportare sia in modo CORPUSCOLARE che ONDULATORIO.
Nel 1917 Einstein disse che la LUCE è nello stesso tempo di natura CORPUSCOLARE che ONDULATORIA,la luce è ondulatoria se si fanno certi esperimenti e invece è corpuscolare se si fanno altri esperimenti.
La sua natura non è nessuna delle due,da un punto di vista filosofico si potrebbe dire che la luce non è nè corpuscolare nè ondulatoria,ma manifesta una certa natura quando la stimoliamo in un certo modo cioè con certi esperimenti e manifesta un’altra natura quando facciamo altri esperimenti.
All’età di 26 anni Einstein fece una sconcertante scoperta,la velocità della luce è una sorta di LIMITE DI VELOCITA’ DEL COSMO,una velocità che non può essere superata da niente nell’universo.
Vediamo più in particolare quanto abbiamo già detto.
Il termine luce (dal latino lux) si riferisce alla porzione dello spettro elettromagnetico visibile dall’occhio umano, approssimativamente compresa tra 400 e 700 nanometri di lunghezza d’onda, ovvero tra 790 e 435 THz di frequenza.
I limiti dello spettro visibile all’occhio umano non sono uguali per tutte le persone, ma variano soggettivamente e possono raggiungere i 720 nanometri, avvicinandosi agli infrarossi, e i 380 nanometri avvicinandosi agli ultravioletti.
La presenza contemporanea di tutte le lunghezze d’onda visibili, in quantità proporzionali a quelle della luce solare, forma la luce bianca.
La luce, come tutte le onde elettromagnetiche, interagisce con la materia.
I fenomeni che più comunemente influenzano o impediscono la trasmissione della luce attraverso la materia sono:
– assorbimento
– diffusione (scattering)
– riflessione speculare o diffusa
– rifrazione
– diffrazione
– La riflessione diffusa da parte delle superfici, da sola o combinata con l’assorbimento, è il principale meccanismo attraverso il quale gli oggetti si rivelano ai nostri occhi, mentre la
– diffusione da parte dell’atmosfera è responsabile della luminosità del cielo.
– Sebbene nell’elettromagnetismo classico la luce sia descritta come un’onda, l’avvento della meccanica quantistica agli inizi del XX secolo ha permesso di capire che questa possiede anche proprietà tipiche delle particelle e di spiegare fenomeni come l’effetto fotoelettrico.
Nella fisica moderna la luce (e tutta la radiazione elettromagnetica) viene composta da unità fondamentali, o quanti, di campo elettromagnetico chiamati fotoni.
La luce proveniente da galassie lontane ha subito lo spostamento verso il rosso: la lunghezza d’onda dei fotoni emessi è stata “stirata” e dunque aumentata, con un conseguente abbassamento della loro frequenza, durante il loro viaggio.
Come si può facilmente vedere,andando verso il rosso la frequenza diminuisce mentre la lunghezza d’onda aumenta.
La LUCE non può avere una massa,perchè altrimenti,come detto,questa massa dovrebbe essere infinita.
Teorie delle radiazioni elettromagnetiche
1) Teoria corpuscolare
Formulata da Isaac Newton nel XVII secolo. La luce veniva vista come composta da piccole particelle di materia (corpuscoli) emesse in tutte le direzioni. Oltre che essere matematicamente molto più semplice della teoria ondulatoria, questa teoria spiegava molto facilmente alcune caratteristiche della propagazione della luce che erano ben note all’epoca di Newton.
Innanzitutto la meccanica galileiana prevede, correttamente, che le particelle (inclusi i corpuscoli di luce) si propaghino in linea retta ed il fatto che questi fossero previsti essere molto leggeri era coerente con una velocità della luce alta ma non infinita. Anche il fenomeno della riflessione poteva essere spiegato in maniera semplice tramite l’urto elastico della particella di luce sulla superficie riflettente.
La spiegazione della rifrazione era leggermente più complicata ma tutt’altro che impossibile: bastava infatti pensare che le particelle incidenti sul materiale rifrangente subissero, ad opera di questo, delle forze perpendicolari alla superficie che ne aumentassero la velocità, cambiandone la traiettoria e avvicinandola alla direzione normale alla superficie.
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.
2) Teoria ondulatoria
Formulata da Christiaan Huygens nel 1678 ma pubblicata solo nel 1690 nel Traité de la Lumière, la luce veniva 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 pervadesse tutto l’universo e fosse formato da microscopiche particelle elastiche. La teoria ondulatoria della luce permetteva di spiegare (anche se in maniera matematicamente complessa) un gran numero di fenomeni: oltre alla riflessione ed alla rifrazione, Huygens riuscì infatti a spiegare anche il fenomeno della birifrangenza nei cristalli di calcite. Nel 1801 Thomas Young dimostrò come i fenomeni della diffrazione (osservata per la prima volta da Francesco Maria Grimaldi nel 1665) e dell’interferenza fossero interamente spiegabili dalla teoria ondulatoria e non lo fossero dalla teoria corpuscolare. Agli stessi risultati arrivò Augustin-Jean Fresnel nel 1815. Nel 1814 Joseph von Fraunhofer fu il primo ad investigare seriamente sulle righe di assorbimento nello spettro del Sole, che vennero esaurientemente spiegate da Kirchhoff e da Bunsen nel 1859, con l’invenzione dello spettroscopio. Le righe sono ancora oggi chiamate linee di Fraunhofer in suo onore.
Il fatto che le onde siano capaci di aggirare gli ostacoli mentre la luce si propaga in linea retta (questa proprietà era già stata notata da Euclide nel suo Optica) può essere facilmente spiegato 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.
3) Teoria elettromagnetica
Per la grandissima maggioranza delle applicazioni questa teoria è ancora utilizzata al giorno d’oggi. Proposta da James Clerk Maxwell alla fine del XIX secolo, sostiene che le onde luminose sono elettromagnetiche. La luce visibile è solo una piccola parte dello spettro elettromagnetico. Con la formulazione delle equazioni di Maxwell vennero completamente unificati i fenomeni elettrici, magnetici ed ottici. Per Maxwell, tuttavia, era ancora necessario un mezzo di diffusione dell’onda elettromagnetica, ossia l’etere. Solo più tardi si negò l’etere e si affermò la convinzione che la luce potesse propagarsi nel vuoto.
4) Teoria quantistica
Per risolvere alcuni problemi sulla trattazione del corpo nero nel 1900 Max Planck ideò un artificio matematico: pensò che l’energia associata ad un’onda elettromagnetica non fosse proporzionale al quadrato della sua ampiezza (come nel caso delle onde elastiche in meccanica classica), bensì inversamente proporzionale alla sua lunghezza d’onda, e che la sua costante di proporzionalità fosse discreta e non continua.
L’interpretazione successiva che Einstein diede dell’effetto fotoelettrico, incanalò il pensiero dei suoi contemporanei verso una nuova strada. Si cominciò a pensare che quanto fatto da Planck non fosse un mero artificio matematico, ma piuttosto l’interpretazione di una nuova struttura fisica; cioè che la natura della luce potesse avere un qualche rapporto con una forma discreta di alcune sue proprietà. Si cominciò a parlare di pacchetti discreti d’energia.
Un recente studio, basato su diversi esperimenti di osservazione quantica di un impulso laser collimato su un nanofilo di metallo, ha osservato sia la particella che l’onda
La luce si propaga a una velocità finita. Anche gli osservatori in movimento misurano sempre lo stesso valore di c, la velocità della luce nel vuoto, dove c = 299 792 458 m/s che viene approssimato in c = 300 000 000 m/s. Mentre, la luce viaggia nell’acqua a circa 225 407 863 m/s e nel vetro a 185 057 072 m/s.
Colori e lunghezze d’onda
Le differenti lunghezze d’onda vengono interpretate dal cervello come colori, che vanno dal rosso delle lunghezze d’onda maggiori (frequenze più basse) al violetto delle lunghezze d’onda minori (frequenze più alte).
Le frequenze immediatamente al di fuori dello spettro percettibile dall’occhio umano vengono chiamate ultravioletto (UV), per le alte frequenze, e infrarosso (IR) per le basse. Anche se noi non possiamo vedere l’infrarosso, esso viene percepito dai recettori della pelle come calore.
Con le equazioni di Maxwell si comprese che la luce era solo una parte dello spettro della radiazione elettromagnetica.
DATI SPERIMENTALI
I dati sperimentali ci dicono che le ONDE ELETTROMAGNETICHE si possono concepire come formate sia da una componente ONDULATORIA sia da una componente CORPUSCOLARE
Con quale esperimento possiamo dedurre ciò?
Con 2 esperimenti fondamentali.
1) In uno vengono impiegati dei FOTONI
2) In un altro,vengono impiegati degli ELETTRONI.
Sia i FOTONI che gli ELETTRONI vengono lanciati da una sorgente puntiforme attraverso uno schermo contenente due fenditure,dietro alle fenditure c’è un altro schermo su cui vanno ad impattare sia i Fotoni che gli Elettroni.
A) Quando i Fotoni o gli Elettroni vengono lanciati uno ad uno,essi attraversano le fenditure e vanno a colpire lo schermo finale con una distribuzione del tutto CASUALE cioè un po’ dovunque,in modo irregolare,come se fossero dei piccoli proiettili che colpiscono a caso.
B) Quando aumentiamo di molto il numero dei Fotoni o degli Elettroni che partono dalla sorgente e che attraversano le fenditure,allora vediamo che essi si distribuiscono sullo schermo finale
A BANDE,cioè si concentrano di più in alcuni punti,mentre lo spazio fra le bande,ne è privo.
Questo è un puro fenomeno di INTERFERENZA, che non potrebbe avvenire se la radiazione elettromagnetica fosse di natura esclusivamente CORPUSCOLARE.
Bisogna pensare,in base a questi fenomeni,che una Radiazione Elettromagnetica sia composta da fenomeni ONDULATORI e CORPUSCOLARI .
In fisica con dualismo onda-particella, o dualismo onda-corpuscolo, si definisce la duplice natura, sia corpuscolare sia ondulatoria, del comportamento della materia e della radiazione elettromagnetica.
Esperimento di Young
L’esperimento di Young, realizzato dal medico e scienziato Thomas Young nel 1801, dimostrò la natura ondulatoria della luce.
Esperimento originale
Si basa su una singola sorgente che illumina uno schermo opaco con due fenditure parallele di larghezza sufficientemente piccola in confronto alla lunghezza d’onda della luce incidente. In questo modo le fenditure diventano due sorgenti lineari di luce coerente che generano su uno schermo a distanza una figura di interferenza formata da bande alternativamente scure e luminose.
A grandissima distanza dalle fenditure, le rette che congiungono le fenditure con un certo punto P sullo schermo sono all’incirca parallele, formanti un angolo θ con la congiungente le fenditure stesse, e la differenza di cammino è con buona approssimazione d * sin θ, dove d è la distanza tra le fenditure.
Esperimenti con doppia fenditura “alla Young”
Per analogia spesso si indicano esperimenti simili svolti in altri campi della fisica per lo studio di fenomeni di interferenza, in cui un fascio viene fatto passare da due o più fenditure, classificandoli con il termine di “esperimenti alla Young”.
Il verificarsi dell’interferenza anche utilizzando fasci corpuscolari confermò il dualismo onda particella, aspetto fondamentale della meccanica quantistica.
Diffrazione
In fisica la diffrazione è un fenomeno associato alla deviazione della traiettoria di propagazione delle onde (come anche la riflessione, la rifrazione, la diffusione o l’interferenza) quando queste incontrano un ostacolo sul loro cammino. È tipica di ogni genere di onda, come il suono, le onde sulla superficie dell’acqua o le onde elettromagnetiche come la luce o le onde radio; la diffrazione si verifica anche nelle particolari situazioni in cui la materia mostra proprietà ondulatorie, in accordo con la dualità onda-particella.
Gli effetti di diffrazione sono rilevanti quando la lunghezza d’onda è comparabile con la dimensione dell’ostacolo. In particolare per la luce visibile (lunghezza d’onda attorno a 0,5 µm) si hanno fenomeni di diffrazione quando essa interagisce con oggetti di dimensione sub-millimetrica.
Spiegazione della diffrazione
La diffrazione può venire intuitivamente “letta” come una richiesta di continuità da parte del fronte d’onda che subisce una discontinuità dal bordo (o dai bordi) di un ostacolo.
Meccanica quantistica
In particolare l’esperimento della doppia fenditura si giustifica con la perdita di valore del concetto di “traiettoria“, a favore della sola probabilità che la particella si trovi in un dato punto a un dato istante.
Einstein stesso tentò in tutti i modi, elaborando sofisticati esperimenti mentali, di contrastare questa visione dualistica della realtà fisica, in particolare il probabilismo insito nella teoria quantistica, che precludeva l’idea, tipica della fisica classica, del determinismo assoluto (celebre la sua frase “Dio non gioca ai dadi”). Si dovette però arrendere all’evidenza dei fatti sperimentali e alla potenza predittiva della meccanica quantistica nel mondo microscopico, cui indirettamente diede comunque contributi notevoli.