LA NATURA DELLA LUCE
Domande principali
Che cos’è la luce? Di cosa è fatta?
Una teoria dei fenomeni luminosi deve essere
in grado, tra le altre cose, di spiegare:
1. la propagazione in linea retta della luce
2. perché la luce si riflette
3. perché la luce si rifrange
Le due teorie sulla natura
della luce
A partire dalla seconda metà del Seicento, la
domanda sulla natura della luce ha dato
luogo ad una controversia scientifica che è
durata per quasi due secoli.
Due erano le teorie rivali: quella corpuscolare e
quella ondulatoria.
Newton e la teoria
corpuscolare
La teoria corpuscolare venne formulata da
Isaac Newton (1642 - 1727).
Huygens e la teoria
ondulatoria
La teoria ondulatoria fu formulata da Christian
Huygens ( 1629 – 1695 )
La teoria corpuscolare
Secondo la teoria corpuscolare, la luce è un insieme di
minuscoli corpuscoli, i cosiddetti corpuscoli luce,
che vengono emessi dalle sorgenti luminose.
Tali corpuscoli si muovono ad una velocità molto
elevata, che rende la forza di gravità trascurabile.
Essi si muovono in linea retta, penetrano nei materiali
trasparenti, rimbalzano come piccole palline sulle
superfici e quando penetrano nel nostro occhio
stimolano il senso della vista.
La teoria ondulatoria
La teoria ondulatoria sostiene invece che la luce
è un’onda.
Essa consiste quindi in un trasferimento di
energia e non di materia.
Le sue proprietà sono simili a quelle delle onde
elastiche, per esempio le onde che si
propagano nell’acqua o le onde sonore.
La propagazione rettilinea secondo
la teoria corpuscolare
Le particelle di luce si muovono in linea retta
così come fanno tutte le particelle materiali in
assenza di forze.
Pertanto, anche i corpuscoli luminosi seguono il
principio di inerzia.
Einstein e la propagazione
rettilinea della luce
Scrive Einstein: “Uno dei fatti ottici più elementari è
che la luce si propaga in linea retta. Un
esperimento rudimentale lo dimostra. Collochiamo
uno schermo munito di un foro davanti ad una
sorgente luminosa puntiforme. S’intende per tale
una piccolissima sorgente luminosa, come ad
esempio una minuscola apertura in una lanterna
chiusa. Su una parete, situata ad una certa distanza
dallo schermo, l’apertura nel medesimo ci apparirà
come un’area luminosa, nettamente delimitata,
sopra uno sfondo scuro.” (L’evoluzione della fisica)
Foto della propagazione
rettilinea della luce (1)
Foto della propagazione
rettilinea della luce (2)
La riflessione secondo la
teoria corpuscolare
Il corpuscolo – luce rimbalza contro una
superficie solida e piana esattamente come fa
una palla durante l’urto elastico contro una
superficie.
Anche in quest’ultimo caso l’angolo di incidenza
è uguale all’angolo di riflessione.
Einstein ed il fenomeno
della riflessione della luce
Dice Einstein: “Anche la riflessione della luce
prodotta dagli specchi viene spiegata dalla
teoria corpuscolare assai semplicemente e
per analogia con quanto si osserva
nell’esperimento meccanico di palle elastiche
lanciate contro una superficie solida e
piana.”
(L’evoluzione della fisica)
La rifrazione secondo la
teoria corpuscolare (1)
Consideriamo una particella di luce che passa
da un mezzo meno denso ad uno più denso.
Per spiegare l’avvicinamento alla normale, la
teoria corpuscolare suppone che la particella,
quando incontra la superficie di separazione,
subisca una forza perpendicolare ad essa.
La rifrazione secondo la
teoria corpuscolare (2)
La forza produce un’accelerazione e quindi una
variazione di velocità v rivolta verso l’interno
del mezzo più denso.

La velocità della particella di luce si piega verso la
normale ed il suo valore aumenta.
La teoria corpuscolare prevede quindi che nel
passaggio da un mezzo meno denso ad uno più
denso la velocità della luce aumenti.
Einstein e la legge della
rifrazione della luce
Einstein dice: “La spiegazione della rifrazione è alquanto più
complicata. Tuttavia la possibilità di una rappresentazione
meccanica è manifesta, anche senza entrare in tutti i dettagli.
Se ad esempio dei corpuscoli di luce colpiscono una superficie di
vetro, è plausibile che subiscano gli effetti di una forza
esercitata su di essi dalle particelle materiali, ancorché possa
sembrare strano che tale forza agisca soltanto nelle immediate
vicinanze della materia.
Come già sappiamo, ogni forza agente su una particella in
movimento ne modifica la velocità. Riducendo la forza esercitata
sui corpuscoli luminosi a un’attrazione perpendicolare alla
superficie del vetro, il moto risultante seguirà una via
intermedia tra la direzione originale e la perpendicolare.”
La propagazione rettilinea secondo
la teoria ondulatoria
Le onde circolari prodotta sulla superficie
dell’acqua si propagano in direzione radiale.
Ogni piccolo pezzo di onda si allontana dalla
sorgente in linea retta.
La riflessione secondo la
teoria ondulatoria
Un’onda, prodotta sulla superficie dell’acqua
immergendo e sollevando il bordo di una riga,
urta contro una barriera.
L’angolo tra la normale e la direzione di
avvicinamento (perpendicolare al fronte
dell’onda incidente) e quello tra la normale e la
direzione di allontanamento (perpendicolare al
fronte d’onda riflesso) sono uguali.
La rifrazione secondo la
teoria ondulatoria (1)
Consideriamo un’onda che si propaga in una vasca
d’acqua e supponiamo che sia costituita da fronti
d’onda rettilinei che passano da una zona A a una
zona B in cui l’acqua è meno profonda.
La diminuzione di profondità può essere causata, per
esempio, da una lastra appoggiata sul fondo del
recipiente.
In B l’onda avanza più lentamente che in A, per il
maggior attrito contro il fondo.
La rifrazione secondo la
teoria ondulatoria (2)
E’ proprio questa diminuzione di velocità la causa che
fa piegare i fronti d’onda.
Infatti, non appena un fronte d’onda giunge sulla linea
di separazione tra le due zone, la parte che
attraversa il confine viaggia più lenta dell’altra e
resta indietro.
Il fronte d’onda si spezza e man mano che avanza tende
a disporsi lungo una direzione più parallela rispetto
alla linea di separazione.
La rifrazione secondo la
teoria ondulatoria (3)
Poiché la direzione di propagazione è sempre
perpendicolare ai fronti d’onda, vi è un
cambiamento di direzione al passaggio tra
le due zone.
La teoria ondulatoria prevede quindi che,
passando da un mezzo meno denso ad uno
più denso, la velocità della luce diminuisca.
Conclusioni (1)
Le due teorie sembrano spiegare ugualmente
bene i fenomeni luminosi che abbiamo preso
in considerazione.
C’è però un punto in cui le loro previsioni si
discostano: la teoria corpuscolare afferma
che la luce si muove più velocemente in un
mezzo più denso che in uno meno denso,
mentre la teoria ondulatoria sostiene il
contrario.
La misura della velocità
della luce (1)
Per decidere quale delle due teorie è falsa,
occorre misurare la velocità della luce in
alcuni mezzi rifrangenti.
Le misure eseguite da Fizeau verso la metà
dell’Ottocento mostrarono con chiarezza che
la luce si propaga tanto più lentamente
quanto più il mezzo è denso.
Fizeau (1819 – 1896)
La misura della velocità
della luce (2)
La velocità della luce in un mezzo che ha indice di
rifrazione assoluto n è:
v=c/n
dove c è la velocità della luce nel vuoto.
Per esempio, la velocità della luce nel vetro è 2/3 di
quella nel vuoto.
Conclusioni (2)
Questi risultati convinsero definitivamente
sulla validità della teoria ondulatoria.
Un’altra conferma era venuta nei primi decenni
dell’800 dallo studio approfondito della
diffrazione e dell’interferenza della luce.
La diffrazione della luce (1)
Siamo abituati a pensare che, quando la luce
incontra un ostacolo, proietti al di là di esso
un’ombra dai contorni netti e ben definiti.
Per esempio, inviando un fascio di raggi paralleli su
una fenditura, ci aspettiamo che proseguano
solo quelli che non sono stati intercettati dallo
schermo.
Sopra e sotto il fascio che emerge dovrebbe
formarsi un’ombra netta.
La diffrazione della luce (2)
Di solito succede così.
Ma se la fenditura è molto stretta, si verifica un
fenomeno curioso.
Illuminiamo con un fascio di raggi paralleli e di
un solo colore uno schermo opaco che ha una
fenditura di larghezza regolabile.
La diffrazione della luce (3)
Se la fenditura è abbastanza larga, su uno
schermo posto al di là di essa osserviamo una
striscia luminosa dai contorni ben definiti.
La diffrazione della luce (4)
Restringendo la fenditura, la striscia luminosa,
invece di assottigliarsi si allarga.
La luce invade così quella che dovrebbe
essere la zona d’ombra.
L’effetto è tanto più pronunciato quanto più la
fenditura è stretta.
Applet sulla diffrazione da
una fenditura
http://www.ba.infn.it/~fisi2005/animazioni/ani
mazione014.html
La diffrazione della luce (4)
Questo fenomeno, per cui la luce aggira gli
ostacoli ed invade la zona d’ombra
geometrica, si chiama diffrazione.
Si tratta di un fenomeno tipico delle onde.
Possiamo osservarlo, per esempio, con le onde
che si propagano sulla superficie dell’acqua.
La diffrazione della luce (5)
Nella figura che segue si notano due barriere che lasciano un
passaggi libero, la cui larghezza può essere aumentata o
diminuita.
I fronti d’onda rettilinei, incontrando le due barriere,
proseguono al di là dell’ostacolo.
Se la fenditura è larga, le onde disegnano due zona d’ombra
ben definite leggermente increspate ai bordi.
Restringendo l’apertura, la perturbazione si apre a ventaglio
e le onde invadono la zona d’ombra geometrica.
Diffrazione da ostacoli
Osserviamo lo stesso fenomeno se mettiamo
sul cammino delle onde un ostacolo al posto
della fenditura.
Dietro un ostacolo grande si forma un’ombra
netta, mentre dietro un piccolo ostacolo le
onde si incurvano, invadendo quella che
dovrebbe essere la zona d’ombra.
Conclusioni sulla diffrazione (1)
La diffrazione si manifesta in modo evidente quando le
dimensioni dell’apertura (o dell’ostacolo) sono
paragonabili o minori rispetto alla lunghezza
d’onda della perturbazione.
In particolare:
- Quando la lunghezza d’onda è grande rispetto alla
dimensione dell’apertura (o dell’ostacolo) si ha
diffrazione
- Quando la lunghezza d’onda è piccola rispetto alla
dimensione dell’apertura (o dell’ostacolo) non c’è
praticamente diffrazione e ci sono ombre nette.
Conclusioni sulla diffrazione (2)
Anche se di solito non ci facciamo caso, assistiamo
ogni giorno a fenomeni di diffrazione.
Riusciamo a sentire chi ci chiama anche se siamo
dietro l’angolo, per esempio dietro un muro che
fa da barriera fra noi e l’altra persona.
Questo è possibile perché le onde sonore, oltre
che riflettersi, diffrangono incontrando
ostacoli e aperture, e riescono così ad aggirarli.
Conclusioni sulla diffrazione (3)
E’ difficile però vedere la diffrazione delle onde luminose.
Al contrario, siamo colpiti dalle ombre nette che disegna la
luce quando incontra un ostacolo.
Evidentemente gli ostacoli e le aperture su cui incide la luce
sono grandi rispetto alla sua lunghezza d’onda.
Dobbiamo quindi aspettarci che la luce abbia una lunghezza
d’onda molto piccola rispetto alle dimensioni degli
oggetti che fanno parte della vita quotidiana.
La lunghezza d’onda della
luce
In effetti, la lunghezza d’onda della luce è circa uguale a
0,000005 m.
Questo ci spiega perché è impossibile vedere oggetti estremamente piccoli.
Illuminandoli con la luce naturale essi non formano ombre nette, ma
rimandano immagini confuse ( come quelle della fenditura).
Non possiamo quindi vedere direttamente gli atomi, che hanno una
dimensione di 10^(-10) m, neppure con l’aiuto di un microscopio
potentissimo. La luce che li illumina non è in grado di restituirci una loro
immagine chiara, ma solo una complessa figura di diffrazione.