Titolo: Tra le onde.
La luce. Esperimenti e teoria
Autori: Laura Rossi, Margherita Spanedda
Tematica: Partendo dall’osservazione di alcuni fenomeni ottici, cercare
risposte sulla natura della luce e su alcune sue proprietà.
Com’è
fatta la
luce?
Sono particelle!
No! E’ un’onda!
Particella
Onda
Oggetto materiale che
si sposta da un punto
all’altro portando con sé
informazioni ed energia
Le informazioni e
l’energia vengono
trasportate senza che
alcun oggetto materiale
venga trasferito
realmente
Grande distribuzione di
energia che riempie lo
spazio in cui si muove
Piccola concentrazione
di materia capace di
trasmettere energia
La luce è una radiazione
elettromagnetica
? ? ?
?
?
Cioè?
?
Cioè?
?
Non è facile rispondere
a questa domanda !
Proviamo
così!
Mumble.
Mumble…
Hai lanciato un sasso nell’acqua
di un lago Intorno ad esso si
allontanano onde circolari che si
propagano fino alla riva
Oggi ti senti uno
scienziato e hai
voglia di osservare,
definire, misurare
quindi …
Osservi attentamente le
onde circolari che si
propagano Intorno al
sasso.
Potresti chiamare la
distanza tra una cresta
d’onda e l’altra
lunghezza d’onda.
Osserva: le creste d’onda,
ogni secondo si infrangono
sulla riva.
C’è un certo “ritmo”, una
certa frequenza.
Ecco! Una
frequenza d’onda
Ecco il modello
dell’onda
prodotta dal
sasso
Conosci altri tipi di onde?
http://www.youtube.com/watch?v=9_TYeaOI03
0&feature=player_detailpage
Le onde del mare
Le onde sismiche
Onde sonore
Onde del mare, onde sonore,
onde sismiche
Sono tutte onde meccaniche
Seguono le eleggi della meccanica
classica (Newton) e, per esistere, hanno
bisogno di un mezzo materiale in cui
propagarsi:aria,acqua terra
Immagina ora un elettrone immobile.
Come sai , l’elettrone ha
una carica negativa e
questa carica fa sentire la
sua influenza tutto
intorno alla particella.
Si dice che si è
generato un campo
elettrico
Supponiamo ora di far
oscillare avanti e indietro
l'elettrone.
l campo elettrico nei punti
circostanti viene perturbato a
causa del cambiamento di
distanza dall’elettrone durante
la sua oscillazione.
Una variazione di
campo elettrico genera
un campo magnetico
Queste oscillazioni del campo elettrico — e
quindi anche del campo magnetico — si
propagano dall'elettrone generando le onde
elettromagnetiche.
Un secondo elettrone, che si
trovi fermo ad una certa
distanza dal primo, comincerà
ad oscillare non appena
investito dall'onda
elettromagnetica prodotta
dall‘altro elettrone.
Anche il campo elettrico del secondo
elettrone, allora, verrà perturbato
dalle sue oscillazioni e genererà a
sua volta un campo magnetico,
consentendo così la propagazione
dell'onda stessa.
le onde
elettromagnetiche
sono onde
trasversali.
Osserva, il campo elettrico ed il campo magnetico
oscillano in direzioni tra loro perpendicolari e a loro
volta perpendicolari alla direzione
di propagazione.
Onde
longitudinali
Direzione di
propagazione
parallela a quella
di propagazione
Onde trasversali
Direzione di
propagazione
parallela a quella di
propagazione
Le onde elettromagnetiche
non hanno bisogno di
supporti per propagarsi
Viaggiano tutte alla
stessa velocità
C = 299 792 458 m/s
Ad esempio….
Il suono di una sirena è un’onda che
viaggia alla
velocità di 300 metri al secondo.
3x 102 m/s
Mentre da un faro che risplende
nel buio di un porto vengono
irradiate onde, questa volta di tipo
luminoso, che viaggiano a circa
300.000 km al secondo
3x 108 m/s
Onda?
Non trovi un’analogia tra i cerchi
nell’acqua e le oscillazioni del nostro
elettrone?
Le caratteristiche
Tutte le onde hanno le
seguenti caratteristiche:
Ampiezza: l'intensità della
vibrazione.
Frequenza: il numero di
onde che passano per un
punto in un secondo. (unità di
misura Hertz)
Lunghezza d'onda: la
distanza percorsa dall'onda
tra due picchi. (unità di
misura metro)
Le lunghezze d'onda delle radiazioni
elettromagnetiche variano dalle centinaia di
kilometri a dimensioni dell'ordine del nucleo
atomico (10-13 m, pari a un decimilionesimo di
milionesimo di metro).
Le corrispondenti frequenze variano quindi da
qualche kHz a un numero di Hz dell'ordine di
1022.
L'energia della radiazione varia
proporzionalmente alla frequenza.
Quali sono le radiazioni
elettromagnetiche?
onde radio
A
basse energie abbiamo le
onde radio che possono variare da
lunghezze d'onda delle dimensioni di
una città fino alle dimensioni di una
persona, ad esempio una radio che
trasmette a 100 MHz presenta una
lunghezza d'onda di 33 cm, esse
vengono usate per la comunicazione,
possono essere emesse per mezzo di
un campo elettrico oscillante su
un'antenna.
Le microonde
Le microonde invece hanno le
dimensioni di una capocchia di spillo, vengono emesse con
circuiti elettrici chiamati Claystron e Magnetron, il loro utilizzo è
legato all'aviazione civile e militare con i Radar e ai forni a
microonde per cucinare cibi.
Gli infrarossi
O
ltre le microonde ci sono i raggi infrarossi,
da noi percepiti sotto forma di calore, sono detti anche
raggi termici. L'emissione infrarossa deriva dallo spettro di
corpo nero, in pratica un corpo qualsiasi emette radiazione
elettromagnetica con un picco ad una lunghezza d'onda
inversamente proporzionale alla temperatura del corpo
emittente, per cui un corpo relativamente freddo come
quello di un essere umano (36°C) emette la maggior parte
della sua radiazione nell'infrarosso.
Per capirci meglio osserviamo l'immagine del
gattino riportata a fianco, il naso freddo è
indicato di colore azzurro, mentre le parti
arancioni come gli occhi e i lobi più interni
delle orecchie sono quelle più calde. In
astronomia gli astri più luminosi in infrarosso
sono spesso quasi invisibili in ottico perchè
troppo freddi per emettere luce visibile.
Queste radiazioni si presentano con lunghezze
d'onda delle dimensioni cellulari.
La Luce
Questo tipo di radiazione elettromagnetica ha un'energia i grado
di rompere i legami molecolari di alcune sostanze presenti nelle
cellule della retina favorendo lo sviluppo di un impulso elettrico
che mediante il nervo ottico viene trasferito al cervello ed
interpretato come immagine; quindi questa è l'unica banda in
grado di essere percepita con gli unici strumenti forniti dalla
natura, quindi un'immagine astronomica in un'altra banda è un
processo dovuto ad uno strumento e un terminale che consente
di modificare una sequenza di luminosità in una certa banda in
una sequenza di colori di luce in modo da poterla vedere. Questo
è possibile perché la luce non è percepita in modo uniforme dal
nostro occhio ma sotto forma di una sequenza di colori infatti le
radiazioni luminose a più bassa energia con lunghezza d'onda di
700 nm producono solo alcune reazioni nella retina e vengono
percepite col colore rosso, quelle più energetiche con lunghezza
d'onda di 400 nm invece producono molte più reazioni e vengono
percepite col colore violetto.
L'ultravioletto
L
a radiazione ultravioletta invece ha un'energia
più elevata di quella visibile, questi raggi sono quasi
totalmente schermati dallo scudo di ozono che dovrebbe
avvolgere il nostro pianeta e che attualmente sembra
presentare degli assottigliamenti. La notevole energia
associata a questa radiazione è causa dell'abbronzatura
durante l'esposizione ai raggi solari e in alcuni casi una
massiccia esposizione può essere causa di tumori. Le
lunghezze dell'onda sono paragonabili alle dimensioni
molecolari, esse hanno anche energie prossime a quelle
necessarie per spezzare i legami molecolare e spesso
vengono assorbite da molecole.
I raggi X
I
raggi X furono scoperti da Röntgen. Immediatamente
ci si accorse che, grazie all'enorme energia posseduta,
avevano straordinarie capacità di penetrazione della
materia. Questa proprietà li rende assai pericolosi, in
quanto favoriscono lo sviluppo del cancro.
Tuttavia essi sono anche di estrema utilità in
medicina per ottenere radiografie ed in molti
campi della fisica, per esempio per lo studio
delle strutture cristalline. In quest'ultimo caso
si sfrutta la proprietà di alcuni raggi X di avere
una lunghezza d'onda paragonabile alla
distanza interatomica e alle dimensioni
atomiche per cui i raggi X vengono diffusi in
maniera differente a seconda dell'orientazione
del cristallo.
I raggi gamma
I raggi gamma sono le radiazione
elettromagnetiche più energetiche che si
conoscano, la loro scoperta risale allo studio
delle emissioni radioattive dei nuclei atomici,
la loro capacità di penetrazione è straordinaria
e i meccanismi di produzione sono sempre
legati a processi nucleari o di fisica delle
particelle elementari. La lunghezza d'onda di
queste radiazioni è dell'ordine delle dimensioni
nucleari, le energie in gioco possono arrivare a
toccare un miliardo di elettronvolt oltre 200
milioni di volte l'energia del visibile e ciò rende
conto della loro straordinaria capacità di
penetrazione.
Come viene generata la luce solare?
Il Sole non ha una superficie nettamente
definita come la Terra, poiché, data la sua
altissima temperatura, non è altro che gas.
Quella che ci appare come una superficie è
uno strato dell'atmosfera solare, la "fotosfera"
(sfera di luce), la quale emette luce ("irradia")
a causa della sua alta temperatura.