UDA FISICA

LA DOPPIA NATURA DELLA LUCE

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Teoria corpuscolare e teoria ondulatoria

rifrazione

04

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interferenza

LA RIFLESSIONE

e l'ottica geometrica

Natura Corpuscolare

Formulata da Newton nel XVII secolo

In fisica il modello particellare (o corpuscolare) della luce descrive e spiega la propagazione di un fascio luminoso come lo spostamento di un gruppo di particelle di energia (chiamate generalmente quanti di energia o fotoni). 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.

teoria ondulatoria

La teoria ondulatoria invece è supportata dal verificarsi del fenomeno dell'interferenza, osservata per la prima volta da Thomas Young all'inizio dell'800 e tipica delle onde. Data la lunghezza d'onda molto ridotta (nell'oridine dei 0,5µm) la luce può essere approssimata ad un fascio in linea retta, se la situazione lo consente: è questo il modello dell'ottica geometrica.

La teoria ondulatoria della luce è compatibile con la teoria corpuscolare. Entrambe le teorie rendono ragione dei fenomeni ottici, certamente ognuna nel proprio dominio applicativo.

La velocità della luce

C ≃ 3,00 • 10⁸ m/s

È piuttosto evidente che la velocità della luce (che si propaga anche nel vuoto) è enorme se confrontata con le misure terrestri, ma se ci si allontana dalla Terra e ci si dirige verso gli spazi profondi del cosmo la situazione cambia drasticamente: a tale velocità ci vorrebbero 8 minuti per raggiungere il Sole, più di 300 anni per approdare sulla stella polare, oltre due milioni di anni per arrivare alla galassia a noi più vicina, quella di Andromeda. Le prime misure sulla velocità della luce furono effettuate, mediante osservazioni dei satelliti di Giove, da Olaf Roemer nel 1676: egli osservò che il moto di “Io”, la più interna delle lune di Giove, non si ripeteva regolarmente nel tempo, ma si notava una variazione nel periodo delle sue eclissi, periodo che equivale a circa il tempo impiegato dalla luce per attraversare l'orbita terrestre. Poiché Roemer disponeva di un valore piuttosto inaccurato del diametro dell'orbita della Terra ricavò un valore altrettanto indicativo della velocità della luce. Successivamente, significativi contributi furono dati da due fisici francesi: Hyppolite Fizeau e Leon Foucault. Il primo, nel 1849, escogitò un esperimento capace di misurare la velocità della luce con osservazioni condotte su distanze non più astronomiche, ma terrestri. Il secondo, non molti anni dopo, perfezionando il metodo di Fizeau, fu in grado di progettare un esperimento che consentiva di misurare la velocità della luce addirittura entro le mura di un laboratorio impiegando uno specchio rotante.

LA RIFLESSIONE DELLA LUCE

In fisica la riflessione è il fenomeno per cui un'onda, che si propaga lungo l'interfaccia tra differenti mezzi, cambia di direzione a causa di un impatto con un materiale riflettente. La riflessione segue due leggi ben precise: - L' angolo d'incidenza è uguale all'angolo di riflessione; - Il raggio incidente, la perpendicolare nel punto d'incidenza ed il raggio riflesso stanno sullo stesso piano denominato d'incidenza.

i ¹

superficie riflettente

Riflessione secondo lE DUE TEORIE

TEORIA ONDULATORIA

TEORIA CORPUSCOLARE

Al contrario della teoria corpuscolare, quella ondulatoria prevede che la luce si propaghi più lentamente all'interno di un mezzo, che nel vuoto; restano comunque ambiguità

Il raggio incidente e il raggio riflesso rappresentano le direzioni del moto del fascio di corpuscoli che urtano la superficie riflettente.

onde sferiche e onde piane

Nello spazio, i fronti d’onda generati da una sorgente puntiforme sono delle sfere. Il fronte d’onda, man mano che si allontana dalla sorgente di un’onda sferica, diventa meno curvo e i raggi più paralleli

LA RIFRAZIONE

La deviazione del raggio di luce in seguito al passaggio ad un mezzo di densità diversa

Il raggio incidente propagandosi nell’aria raggiunge la superficie di separazione dei due mezzi trasparenti e forma, con la perpendicolare a questa superficie, un angolo che prende il nome di angolo di incidenza. Il raggio luminoso prosegue, per esempio, nell’acqua, deviando bruscamente dalla direzione che aveva nell’aria e prende così il nome di raggio rifratto. Il raggio rifratto forma, con la perpendicolare alla superficie di separazione, un angolo più piccolo detto angolo di rifrazione, che si avvicina alla perpendicolare dell’angolo di incidenza.

sin(Vᵢ)

nᵣ

Angolo di incidenza

sin(Vᵣ)

nᵢ

Vi

Vr

Angolo di rifrazione

LA DISPERSIONE

Le radiazioni elettromagnetiche si estendono su intervallo continuo di frequenze: lo spettro elettromagnetico: la luce visibile, detta anche luce bianca, è composta da un insieme di colori che va dal violetto al rosso. Miscela di tante lunghezze d’onda dato che i colori differenti si propagano in diverse direzioni. Infatti, si forma il fenomeno della dispersione. L’indice di rifrazione dipende dalla lunghezza d’onda della luce. Minore è la lunghezza d’onda. maggiore è l’indice di rifrazione.

LA DIFFRAZIONE

Se la luce è un’onda dovrà comportarsi similmente alle onde d’acqua, osservando l’esempio:

Principio di Huygens

principio di huygens

La fenditura agisce come una sorgente di onde che si propagano verso l’esterno in tutte le direzioni.

L'INTERFERENZA

Uno degli aspetti più importanti del comportamento delle onde è l'interferenza, che avviene laddove più onde si sommano, generando una perturbazione.

ESPERMENTO DI YOUNG

Quest’esperimento fu condotto per la prima volta dal fisico Thomas Young e fornisce non solo la dimostrazione della natura ondulatoria della luce, ma anche il calcolo della sua lunghezza d’onda λ. L’esperimento in sé è molto semplice e consiste nel far passare attraverso una singola fenditura un fascio di luce monocromatico e poi di nuovo attraverso una doppia fenditura: la luce viene infine proiettata su uno schermo distante. Quello che Young osservò fu una serie di frange luminose alternate a frange scure che interpretò appunto come zone di interferenza costruttiva le frange luminose e zone di interferenza distruttiva le fasce scure. Ovviamente questo non accadrebbe se la luce si propagasse in linea retta: per spiegare il fenomeno della diffrazione, ossia la deviazione della traiettoria di propagazione delle onde che compare quando esse devono aggirare un ostacolo, dobbiamo ricorrere al principio di Huygens che afferma appunto questo: ogni fenditura agisce come se fosse una nuova sorgente di onde luminose, che si diramano verso l’esterno in tutte le direzioni.

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Francesca Garcea

Desirée Ferro

Giacomo Esposito

Mattia Frontera