LA LUCE Fisica e Chimica Newton (1642-1727) Teoria corpuscolare • La luce è composta da particelle dotate di energia e impulso. • Tali particelle vengono liberate dai corpi luminosi e si propagano in linea retta. • La riflessione è spiegata tramite il rimbalzo delle particelle nel momento dell’urto con una superficie. • La rifrazione è dovuta alle forze che le molecole di una sostanza esercitano sulle particelle di luce deviandone la direzione. • La luce è più veloce nei corpi rispetto al vuoto. • Luci di colori diversi vengono rifratte con angoli differenti a parità di indice di rifrazione. • Le particelle hanno diversa massa: – i corpuscoli più grossi provocano la sensazione del rosso; – i corpuscoli più piccoli danno la sensazione del violetto. • Newton riuscì a spiegare: – riflessione, – differenze di colore, – propagazione della luce dalla Terra al Sole. • La teoria corpuscolare però non poteva dare una spiegazione a: – assorbimento della luce dei corpi opachi, – diffrazione, – interferenza. Huygens (1629-1695) Teoria ondulatoria • La luce è costituita da un insieme di onde meccaniche che si propagano in linea retta. • Le vibrazioni dei corpi luminosi producono tali onde. • La propagazione della luce è dovuta all’oscillazione dell’etere. • L’etere è un mezzo isotropo, estremamente sottile, composto da corpiccioli elastici. • L’etere propaga la luce oscillando ma non assume un moto traslatorio. • Principio di Huygens per spiegare la rifrazione. • Assunzione che la velocità della luce è inferiore nei mezzi che non siano l’etere (ipotesi confermata dai successivi studi sulla velocità della luce). • Spiegazione del fenomeno della diffrazione attraverso il principio di Huygens. Young (1773-1829) • Young effettuò un esperimento cruciale ottenendo prove convincenti riguardo la natura ondulatoria della luce. • Esperimento della doppia fenditura. – La luce che attraversa due sottili fenditure forma su uno schermo un’immagine che presenta un massimo luminoso centrale e, simmetricamente ad esso, una serie di frange laterali alternativamente chiare e scure. • L’immagine che si forma è una figura d’interferenza spiegabile solo attraverso la teoria ondulatoria. • Nelle zone chiare vi è interferenza costruttiva. • Nelle zone scure vi è interferenza distruttiva. • Il risultato dell’interferenza dipende dalla differenza di lunghezza tra i cammini percorsi dalle onde provenienti dalle due fenditure. Maxwell (1831-1879) • Egli ipotizzò che la propagazione della luce fosse dovuta alla propagazione di un campo elettromagnetico. • Per avanzare tale ipotesi egli partì dall’analisi dell’induzione elettromagnetica. • Un campo magnetico variabile genera un campo elettrico variabile. • Basandosi su un’idea di simmetria della natura, Maxwell ipotizzò che anche una variazione di campo elettrico producesse un campo magnetico variabile. • Alla variazione di campo magnetico, in una determinata zona di spazio, segue la produzione di un campo elettrico variabile il quale a sua volta produce un campo magnetico variabile e così via all’infinito. • Si propaga in questo modo un’onda elettromagnetica, indipendentemente dalla presenza di materia in quanto è un’onda di campo. • I campi magnetico ed elettrico sono perpendicolari tra loro e in fase. • La luce rappresenta una particolare classe di onde EM con lunghezza d’onda compresa tra 380 e 710 nm. • L’ipotesi di Maxwell fu confermata dagli esperimenti di Hertz. • Hertz fu il primo a generare e rilevare le onde EM e a dimostrare tutte le sue proprietà. • L’insieme delle onde EM viene descritto attraverso lo spettro elettromagnetico che comprende: – Raggi γ – Raggi X – Raggi UV – Luce visibile – Infrarossi – Microonde – Onde radar – Onde radio • Gli esperimenti condotti da Michelson e Morley smentirono la necessita dell’etere per la propagazione delle onde EM. • Essi non furono in grado di rilevare alcun moto della Terra rispetto all’etere. Planck (1858-1947) • Alla fine del XIX secolo attendeva ancora spiegazione il fenomeno della luce emessa dai corpi incandescenti. • L’intensità della radiazione emessa è proporzionale alla quarta potenza della temperatura assoluta. • Un corpo che assorbe tutte le radiazioni viene definito corpo nero. • Il corpo nero, se riscaldato, emette radiazioni aventi distribuzione continua di frequenze, ma presenta un picco di emissione. • La lunghezza d’onda del picco di emissione diminuisce all’aumentare della temperatura seguendo la legge di Wien. • Al crescere della temperatura aumenta anche l’intensità delle radiazioni emesse alle varie lunghezze d’onda. • La teoria di Maxwell prevedeva correttamente quale poteva essere la causa dell’emissione. • Non era coerente, però, con lo spettro ottenuto sperimentalmente. • Ipotesi dei quanti di Planck: – Prevede correttamente l’andamento delle intensità delle radiazioni di un corpo nero. – È necessario ammettere che l’energia distribuita tra le cariche elettriche oscillanti delle molecole non è continua ma discreta. – Le quantità discrete di energia sono legate alla frequenza di oscillazione. Einstein (1879-1955) • Rifacendosi all’idea dei quanti, Einstein propose una nuova teoria per la luce. • Teoria quantistica della luce. • Studio dell’effetto fotoelettrico. • Tale fenomeno risulta compatibile con la teoria ondulatoria della luce. • I risultati sperimentali, però, sono in netto contrasto con le previsioni elaborate a partire dalla teoria ondulatoria. • Una corretta spiegazione è possibile solo assumendo che: – L’energia trasportata dall’onda sia concentrata in pacchetti o quanti di energia. – La quantità di energia trasportata dal quanto di luce dipende unicamente dalla frequenza. – Aumentare l’intensità significa solo aumentare il numero di fotoni per unità di superficie trasportati dal fascio, ma non variare la loro energia. Bohr (1885-1962) Lo spettro dell’idrogeno • L’idrogeno portato a elevate temperature emette onde EM con uno spettro a righe. • Emissione: – UV – Banda del visibile – Infrarossi • Le onde emesse dagli atomi di idrogeno eccitati hanno un significato strutturale. • Bohr elaborò un modello di struttura atomica adatto a spiegare gli spettri di emissione e assorbimento dell’idrogeno. • Egli pensò che anche gli elettroni perdono o assorbono energia solo per salti quantici. • Lo spettro di emissione a righe si origina nel momento in cui un elettrone passa da un livello superiore di energia ad un livello inferire emettendo un fotone. • La teoria di Bohr permette di spiegare, inoltre, l’origine degli spettri di assorbimento. • Il modello atomico quantizzato prevede con precisione il valore dell’energia di ionizzazione dell’idrogeno. Compton (1892-1962) Effetto Compton • I raggi luminosi di breve lunghezza d’onda diffusi da una sostanza hanno frequenza più bassa rispetto al raggio incidente. • La lunghezza d’onda dei fotoni diffusi dipende dall’angolo con cui vengono deviati. • Tale scoperta è spiegabile solo in termini di urti tra i fotoni e le molecole della sostanza. • La teoria ondulatoria classica non dà ragione di questo fenomeno (la frequenza non dovrebbe cambiare). Dualismo onda-particella • La teoria corpuscolare della luce viene posta su solide basi sperimentali da: – Effetto fotoelettrico – Emissione e assorbimento di spettri a righe – Effetto Compton • La teoria ondulatoria trova un importante fondamento negli esperimenti sull’interferenza e la diffrazione. • Entrambe le teorie sono valide. • È necessario, per avere la piena comprensione di un fenomeno legato alla luce, tenere presenti entrambi gli aspetti, corpuscolare e ondulatorio. Astronomia • La composizione chimica delle stelle viene determinata attraverso l’analisi della posizione e dello spessore delle righe negli spettri di emissione. • I gas compressi ad alta temperatura emettono spettri continui. • I gas dell’atmosfera stellare assorbono determinate lunghezze d’onda. • Allo spettro di emissione continuo della stella si sovrappone quello di assorbimento a righe dell’atmosfera stellare. • Gli spettri stellari sono suddivisi in tipi spettrali in base a particolari affinità. • Le caratteristiche delle classi spettrali variano in base al colore con cui appare una stella. • Il colore di una stella dipende dalla sua temperatura superficiale in accordo con la legge di Wien. • Le stelle vengono classificate attraverso classi spettrali in base alla loro temperatura superficiale che condiziona il colore e le caratteristiche dello spettro. • Classi spettrali (in ordine decrescente di temperatura): O, B, A, F, G, K, M. • Nell’antichità le stelle venivano classificate in base alla luminosità, la quale veniva considerata funzione della grandezza. • Lo splendore di una stella, in realtà, dipende dalla sua distanza dall’osservatore. • Per poter determinare le dimensioni effettive di un astro è necessario considerare la luminosità intrinseca calcolata attraverso la legge di Stefan-Boltzmann. • Le stelle che appartengono alla stessa classe spettrale hanno luminosità intrinseca, quindi magnitudine assoluta, uguale. • Il diagramma H-R rappresenta le stelle, indipendentemente dal momento della loro origine, considerando la temperatura e la luminosità. • Il diagramma H-R viene utilizzato anche per lo studio di ammassi di stelle originatesi contemporaneamente e legate gravitazionalmente. • Ammassi aperti • Ammassi globulari • Lo studio degli spettri è molto utile anche per misurare la velocità con cui si muovono le galassie. • La luce proveniente da una sorgente in moto viene percepita di colore diverso rispetto al colore percepito se la sorgente fosse ferma (effetto Doppler ottico). Letteratura italiana Giosuè Carducci (1835-1907) Pianto Antico L’albero a cui tendevi la pargoletta mano, il verde melograno da’ bei vermigli fior, nel muto orto solingo rinverdì tutto or ora e giugno lo ristora di luce e di calor. Tu fior de la mia pianta Percossa e inaridita, tu de l’inutil vita estremo unico fior, sei ne la terra fredda, sei ne la terra negra; né il sol più ti rallegra né ti risveglia amor. • La tematica centrale della poesia è l’opposizione luce-ombra che rispecchia l’opposizione vita-morte. • La luce e il calore rappresentano la vitalità della natura primaverile. • Il buio e il freddo simboleggiano il dramma vissuto dal poeta dopo la morte del figlio. • La negazione della luce rappresenta la condizione della morte. • La morte è caratterizzata dalla mancanza di gioia, dal buio e dal silenzio. Giuseppe Ungaretti (1888-1970) Mattina M’illumino d’immenso • Il poeta viene investito da una luce violenta che riverbera nello spazio. • In quel momento l’uomo partecipa della vita del tutto e il relativo si identifica con l’infinito. • L’ineffabile viene rappresentato attraverso un improvviso bagliore. • La parola che sfiora la totalità dell’essere viene collocata nel vuoto, nel silenzio. • Lo splendore della luce mattutina trasmette una sensazione di pienezza di vita. • Il poeta effettua un’associazione interiore tra luce solare e immensità del tutto. Eugenio Montale (1896-1981) I Limoni … Ma l’illusione manca e ci riporta il tempo nelle città rumorose dove l’azzurro si mostra soltanto a pezzi, in alto, tra le cimase. La pioggia stanca la terra, di poi; s’affolta il tedio dell’inverno sulle case, la luce si fa avara – amara l’anima. Quando un giorno da un malchiuso portone tra gli alberi di una corte ci si mostrano i gialli dei limoni; e il gelo del cuore si sfa, e in petto ci scrosciano le loro canzoni le trombe d’oro della solarità. • La realtà fenomenica nega all’uomo qualsiasi verità. • Nella poesia I Limoni il profumo dei limoni assume una funzione salvifica. • L’uomo può intravedere il mistero dell’essere solo quando la natura, immersa nel silenzio, si trova in una condizione di sospensione. • La natura permette all’uomo di andare oltre l’apparenza solo per errore. • Il processo conoscitivo è affannoso e conduce ad un risultato illusorio. • L’uomo immerso nel rumore delle città si trova in una condizione di “tedio.” • Il giallo dei limoni, intravisto da un portone socchiuso, riporta luce e calore nella vita dell’uomo, i quali simboleggiano la gioia di vivere e la parziale rinascita dell’anima. Letteratura inglese William Shakespeare (1564-1616) • Juliet is for Romeo the fair sun, which, with its light, fulfils his heart. • Also the moon became envious of Juliet’s bright beauty. • Her eyes are like two stars. • Romeo’s passion and love made Juliet a bright angel, a shining star. • In Macbeth there is the dualism between darkness and light. • The Evil (crimes and punishment) occurs always during the night. • The finel battle of liberation is in the daylight. • At the end Lady Macbeth always brings with her a taper. • The light of the candle means for her the quest for the redemption from her guilts. • The light of a brief candle represents also, for Macbeth, the metaphor of life: short, without any meaning. William Blake (1757-1827) • Songs of Innocence – – – – – – Light Childhood Happiness Freedom Imagination “Lamb” • Songs of Experience – – – – – – Darkness Adulthood Evil Chaos Fear “Tyger” • Evil represented in the poem “London”: – Described during the night – Everything is black for the heavy pollution – Degradation, woe – Oppression of the society deprives men of the light of innocence “The Chimney sweeper” • Live surrounded by black soot • In te dream they are locked in black coffins • When he awakes he retourns to the darkness • His purity is symbolized by his white hair • Angel with a bright key makes them free. • They could play in the light of the sun Arte Edward Hopper (1882-1967) Nighthawks Chop Suey Summertime