LA LUCE

la doppia nATura della luce

INdice

LE PROPRIETA' DELLA LUCE INTERPRETABILI CON LA TEORIA ONDULATORIA

la luce:natura corpuscolae e ondulatoria

La velocità della luce

L'OTTICA GEOMETRICA SECONDO LE TEORIE CORPUSCOLARE E ONDULATORIA

l'ESPERIMENTO DELLA DOPPIA FENDITURA DI YOUNG

La luce

Che cos’è la luce? A partire dal 1600 sono state date due risposte diverse a questa domanda, da cui si sono sviluppati due modelli rivali: il modello corpuscolare, proposto da Isaac Newton, e il modello ondulatorio, sostenuto da Christiaan Huygens.

Secondo il modello corpuscolare, la luce è un flusso di particelle microscopiche (corpuscoli) emesse dalle sorgenti luminose.

Secondo il modello ondulato rio, la luce è un’onda, simile alle onde che si propagano nell’acqua e alle onde sonore.

la velocità della luce

I TENTATIVI DI GALILEO GALILEIIl primo a cimentarsi nella misurazione della luce fu Galileo Galilei, ma senza successo. L’esperimento di Galileo prevedeva di porre due lanterne a una distanza di un miglio e di calcolare il tempo che la luce impiegava ad arrivare da un punto all’altro: insieme a un assistente prese una lanterna schermata e andò sulla cima di due colline che distavano un miglio. Galileo scoprì la sua lanterna, e l'assistente sull’altra collina, non appena vide la luce, scoprì a sua volta la lanterna. L'esperimento: Lo scienziato pisano avrebbe quindi dovuto misurare il tempo necessario per vedere la luce dall'altra collina e a quel punto sarebbe stato sufficiente dividere la distanza per il tempo per ottenere la velocità della luce. L’esperimento non portò a nessun risultato: per percorrere un miglio, la luce impiega circa 0,000005 secondi, un valore immisurabile con gli strumenti a disposizione di Galileo

LA MISURAZIONE DI OLE RØMER. Se però le distanze da far percorrere alla luce diventano più ampie, una misurazione è possibile anche con strumenti meno sofisticati. È proprio quanto fece Rømer nel 1676 osservando il moto di Io, una delle lune di Giove. Io compie un’orbita completa intorno a Giove in 1,76 giorni. Rømer, però, si accorse che il tempo impiegato dalla luna non era sempre lo stesso. In certi periodi dell’anno, quando la Terra era più lontana da Giove, ci metteva più tempo; al contrario, quando Terra e Giove erano più vicini, la luna Io sembrava anticipare la sua rivoluzione. La tesi di Rømer era semplice ma geniale: la differenza era dovuta alla velocità della luce: se questa non è infinita, allora deve impiegare un certo tempo per giungere da Giove alla Terra; quando la Terra è più lontana, ci mette più tempo. Rømer spiegò che la velocità della luce era tale che aveva impiegato 22 minuti per percorrere il diametro dell’orbita terrestre. Rømer, che aveva un valore impreciso del diametro dell'orbita terrestre, calcolò la velocità della luce in 220.000 km al secondo, una misura non corretta (la velocità precisa è 299.792,458 km/s), ma certamente la più prima mai misurata fino ad allora.

VALORE VELOCITA'

L'ottica geometrica secondo le teorie corpuscolare e ondulatoria

Per caratterizzare il comportamento della luce quando viene riflessa da uno specchio o da un'altra superficie lucida, bisogna disegnare la semiretta normale, che è la semiretta perpendicolare alla superficie riflettente nel punto di incidenza del raggio. Rispetto alla normale, il raggio incidente forma angolo a, l'angolo di incidenza. l’angolo di riflessione è l’angolo formato dal raggio riflesso con la normale. La relazione tra i due angoli è che sono uguali. Il raggio incidente, la normale e il raggio riflesso giacciono tutti sullo stesso piano. La riflessione della luce su una superficie liscia e lucida viene detta riflessione speculare. tutti i raggi riflessi si propagano nella medesima direzione. Al contrario, se la superficie è ruvida la luce riflessa è rimandata in varie direzioni, dando luogo a una riflessione diffusa o diffusione.

Ad esempio, quando l'asfalto della strada è bagnato, l'acqua crea una superficie lucida e i fari delle automobili si riflettono sulla strada e tutti i raggi riflessi si propagano in un'unica direzione, generando bagliore. Quando la stessa strada è asciutta, la sua superficie si presenta ruvida e la luce è riflessa in varie direzioni e non si osservano bagliori. La legge della riflessione è rispettata in entrambi i casi, è la superficie che cambia, non la legge fisica!

Interpretazione della riflessione secodo le due teorie

Nella teoria ondulatoria bisogna conoscere le onde generate da una sorgente puntiforme, ad esempio da un sasso lasciato cadere in una vasca d'acqua, che formano dei cerchi concentrici che si chiamano fronti d'onda. Il moto radiale delle onde è indicato dai raggi, che puntano verso l'esterno e che sono sempre perpendicolari ai fronti d'onda. Anche nelle onde sferiche i raggi sono perpendicolari ai fronti d'onda e sono diretti verso l'esterno. Il fronte d'onda, man mano che si allontana dalla sorgente di un'onda sferica, diventa sempre meno curvo e i raggi sempre più paralleli. Al limite i fronti d'onda si avvicinano sempre di più a un fronte piano. Queste onde piane, con i loro fronti d'onda piani e i raggi paralleli, sono un'utile astrazione per indagare sulle proprietà degli specchi e delle lenti. I raggi paralleli di queste onde con i fronti d'onda piani sono i raggi incidente e riflesso utilizzati nell'ottica geometrica.

Secondo la teoria corpuscolare il raggio incidente e il raggio riflesso rappresentano le direzioni del moto del fascio di corpuscoli che urtano elasticamente la superficie riflettente.

Interpretazione della rifrazione secondo le due teorie

Rifrazione: quando la luce si propaga da un mezzo ad un altro camba la sua direzione di propagazione.

Nella rifrazione della luce che va da un mezzo meno rifrangente a uno più rifrangente le direzioni dei fronti d'onda variano. L'unico modo per spiegare il cambio di direzione mantenendo secondo la teoria ondulatoria è di dire che nel passaggio dal mezzo 1 al mezzo 2 è diminuita la lunghezza d'onda. e diminuisce anche la velocità della luce e l'angolo di incidenza (α), anche l'angolo tra il fronte d'onda incidente e la superficie di separazione dei due mezzi. Il fronte d'onda nel secondo mezzo e il suo raggio sono caratterizzati da un diverso angolo (α2), in questo caso minore di α, perché il secondo mezzo è più rifrangente.

Secondo la teoria corpuscolare, i corpuscoli che formano il raggio incidente, nel passare da un mezzo all'altro cambiano la loro traiettoria perché subiscono un'accelerazione dovuta alla risultante delle forze di coesione delle molecole del mezzo. Come ulteriore conseguenza, la luce, passando in un mezzo più rifrangente dovrebbe aumentare il modulo della sua velocità.

indice di rifrazione

legge di snell-cartesio

La direzione di propagazione è quindi direttamente collegata alla velocità di propagazione. Il modello ondulatorio prevede che la velocità della luce dipenda dal mezzo nel quale essa sta viaggiando e permette anche di ricavare il rapporto tra le velocità v1 e v2 da] rapporto tra i seni degli angoli α , e α2. Oggi siamo in grado di misurare con precisione tali velocità e sappiamo che le previsioni del modello ondulatorio sono corrette. Il rapporto tra la velocità della luce nel vuoto e quella in un particolare mezzo viene chiamato indice di rifrazione n del mezzo. n= c/v

La relazione tra l'angolo α, e l'angolo rifrazione α2 può essere riscritta in funzione dell'indice di rifrazione come: senα /c/n1 = senα2/ c/n2.Moltiplicando entrambi i membri per c, si ottiene la relazione che esprime la legge della rifrazione, nota come legge di Snell-Cartesio: n1 sen α= n2 senα2 Passando in un mezzo con indice di rifrazione maggiore, la velocità della luce diminuisce e il raggio si avvicina alla normale. Si ha il comportamento opposto quando la luce passa in un mezzo con indice di rifrazione minore: la velocità aumenta e il raggio si allontana dalla normale.

la riflessione totale

Quando la luce incontra la superficie di separazione tra due mezzi viene in parte riflessa e in parte rifratta. Supponendo che la luce passi da un mezzo con indice di rifrazione n1 a un mezzo con indice di rifrazione n2< n1, il raggio incidente viene in parte riflesso indietro, come se la superficie di separazione fosse uno specchio, e in parte rifratto nel mezzo 2 allontanandosi dalla normale, secondo la legge di Snell-Cartesio. Aumentando l'angolo di incidenza, anche l’angolo di rifrazione aumenta. Esiste un determinato valore dell'angolo di incidenza, detto angolo limite β , per il quale il raggio rifratto non passa più nel secondo mezzo, ma è diretto parallelamente alla superficie di separazione. In questo caso l'angolo di rifrazione è 90º. Per angoli di incidenza maggiori tutta la luce è riflessa. Questo fenomeno è noto come riflessione totale. Si può calcolare l'angolo limite della riflessione totale ponendo α = β , e α2 = 90° nella legge di Snell-Cartesio:

n1 sen β = n2 sen 90° n1 sen β = n2 senβ = n1/n2

La dispersione

L'indice di rifrazione dipende, oltre che dal materiale attraversato, anche dalla lunghezza d'onda della luce. La luce visibile (luce bianca) è formata da un insieme di colori che va dal violetto al rosso e che prende il nome di spettro. La luce rossa è quella con la lunghezza d'onda più grande, la luce violetta è quella con la lunghezza d'onda più piccola. In generale, minore è la lunghezza d'onda, maggiore è l'indice di rifrazione. Ciò significa che la luce violetta, con la sua piccola lunghezza d'onda e il suo alto indice di rifrazione, quando subisce la rifrazione in un determinato materiale è deviata più della luce rossa. Il risultato è che la luce bianca, che è una miscela di tante lunghezze d'onda in seguito alla rifrazione risulta separata in tanti diversi colori, poiché i colori differenti si propagano in direzioni diverse. Questo effetto della luce legato ai colori è chiamato dispersione.

LE PROPRIETA' DELLA LUCE INTERPRETABILI CON LA TEORIA ONDULATORIA

Un fenomeno che caratterizza le onde è la diffrazione che si verifica quando le onde incontrano sul loro cammino un'apertura di dimensioni pari alla loro lunghezza d'onda.Nel caso in cui,invece, le dimenisioni dell'apertura sono molto più grandi della lunghezza d'onda,esse continuano a propagarsi in modo rettilineo.Il fisico Huygens, alla fine del 1600, arrivò ad affermare il seguente principio,in relazione al principio della diffrazione:l'apertura,o fenditura,agisce come una sorgente di onde che si propagano verso l'esterno in tutte le direzioni.

La diffrazione

ESEMPIO DI DIFFRAZIONE

SOVRAPPOSIZIONE E INTERFERENZA

Uno dei tanti comportamenti delle onde è la cosiddetta sovrapposizione,data dalla somma di due o più onde che danno un'onda risultante. Quest'onda risultante può essere poi un'onda di ampiezza maggiore,detta interferenza costruttiva,o un'onda di ampiezza minore detta interferenza distruttiva.Essendo che la luce,in determinate situazioni si comporta come un'onda,questo comportamento vale anche per la luce ,con un conseguente aumento o diminuzione di luminosità.

LE CONDIZIONI DI INTERFERENZA DELLA LUCE

Per far si che la luce manifesti il fenomeno dell'interferenza essa deve essere monocromatica,ovvero con una singola frequenza e un solo colore. Inoltre le onde devono essere coerenti,cioè la differenza di fase tra di loro deve rimanere costante nel tempo. Le sorgenti in cui la differenza di fase non si mantiene costante,sono definite incoerenti.Per comprendere se si parla di interferenza costruttiva o distruttiva è importante la fase di un'onda(la frazione di periodo trascorsa rispetto ad un tempo fissato). ESEMPI:

Onde sfasate di una lunghezza d'onda e interferenza costruttiva

Onde sfasate di mezza lunghezza d'onda,con ampiezza nulla e interferenza distruttiva

Onde in fase,con somma di onde e aumento di ampiezza.Interferenza costruttiva

Se si considerano due sorgenti luminose monocromatiche S1 e S2 che emettono onde elettromagnetiche con la stessa frequenza e quindi con la stessa lunghezza d'onda e le due sorgenti sono coerenti, generano onde in fase. Attraverso una serie di osservazioni,prendendo un punto qualsiasi P0,equidistante dalle due sorgenti e P1,Q1,Q2 con distanze differenti da S1 e S2,si arriva a definire quando l'interferenza è costruttiva o distruttiva:

• COSTRUTTIVA: nel punto P1, in cui la differenza tra i due cammini è esattamente di una lunghezza d'onda e quindi si ha interferenza costruttiva e un massimo di intensità luminosa;
• DISTRUTTIVA: nel punto P0, dove le due onde percorrono cammini di lunghezza differenti. Dunque ad un certo punto i cammini percorsi dalle due onde differiscono esattamente di mezza lunghezza d'onda e si ha interferenza distruttiva.

+ Info

ESPERIMENTO DELLA DOPPIA FENDITURA DI YOUNG

L'esperimento della doppia fenditura condotto dal fisico e medico inglese Thomas Young nel 1801, dimostra la natura ondulatoria della luce e permette di calcolare, relativamente a quest'ultima, la lunghezza d'onda indicata con la lettera greca λ (lambda).

MATERIALI UTILIZZATI

L'esperimento di Young prevede l'uso di:

1 schermo caratterizzato da una singola fenditura, attraverso la quale far passare il fascio di luce monocromatica;

2 schermo caratterizzato da due fenditure, rispettivamente S1 ed S2;

3 schermo posto ad una distanza L;

ProCEDIMENTO

I FASE

III FASE

II FASE

Una volta passato attraverso il 1 schermo a singola fenditura, il fascio di luce sottoforma di sorgente puntiforme di luce, illuminando il 2 schermo, passa attraverso le due fenditure S1 ed S2 (sorgenti coerenti) poste tra loro ad una distanza d.

Passando attraverso le due fenditure S1 ed S2, la sorgente di luce produce sul terzo schermo distante L, delle frange luminose della figura di interferenza.

Il fascio di luce monocromatica viene inizialmente fatto passare attraverso il 1 schermo a singola fenditura, la quale funge da sorgente coerente.

SCOPO DELL'ESPERIMENTO

COME E' POSSIBILE OSSERVARE LA NATURA ONDULATORIA DELLA LUCE?

Questo esperimento consente di dimostrare la natura ondulatoria della luce in quanto, se la luce fosse dotata di sola natura corpuscolare come affermava Newton, passando attraverso il secondo schermo a doppia fenditura , percorrerebbe una traiettoria rettilinea e si limiterebbe ad illuminare gli schermi solo relativamente a ciascuna fenditura.

IL PRINCIPIO DI HUYGENS

COME VIENE PRODOTTA L'ALTERNANZA DI FRANGE LUMINOSE E SCURE?

Secondo il Principio di Huygens, ciascuna fenditura presa in considerazione per la riproduzione dell'esperimento di Young , si comporta da sorgente di onde luminose, le quali si propagano verso l'esterno seguendo tutte le direzioni. Infatti, il fascio di luce, attraversate le fenditure, tenderà a concentrarsi in un'ampia regione individuata sul terzo schermo, producendo un'alternanza di frange luminose e scure, principale conseguenza delle interferenze costruttiva e distruttiva.

+ CONDIZIONI PER LE FRANGE LUMINOSE E SCURE

GRAZIE PER L'ATTENZIONE!

LAVORO REALIZZATO DA: MICHELLE IEZZI SOFIA MANGIALARDI ARIANNA MARRA MARIAGRAZIA PELLEGRINO