FISICA- LA LUCE

ondulatoria

La doppia natura della luce

corpuscolare

Condito Giulia, Costa Marco, Conte Paolo, Cristofaro Floriana, Scarfone Tommaso

La teoria corpuscolare di NEwton

Isaac Newton è tra i primi scienziati a studiare i fenomeni luminosi: sosteneva che la luce fosse composta da corpuscoli piccoli e veloci che, scontrandosi, producevano fenomeni di riflessione e rifrazione. Fu egli ad annunciare la teoria dei colori. La teoria prevalse per un secolo, ma poi...

la teoria ondulatoria di huygens e young

...lo scienziato olandese Christiaan Huygens sostenne la teoria di Young, che aveva osservato i fenomeni di interferenza tra due raggi. Secondo Huygens, solo le onde possono interferire tra loro, perciò la luce doveva avere natura ondulatoria.

è la velocità di propagazione di un'onda elettromagnetica ed è indicata dalla lettera “c”, dal latino "celeritas".

la velocità della luce

la luce può propagarsi ovunque, anche nel vuoto, senza bisogno di un mezzo materiale.

c≅3,00 x 10^8 m/s

l'esperimento di Galileo Galilei

Il progetto prevedeva l'aiuto di un suo allievo e di due lanterne. Galileo e il suo discepolo si sarebbero dovuti porre su due colline distanti tra loro. Quando Galileo scopriva la sua lanterna, anche l'allievo avrebbe dovuto fare lo stesso. In tal modo si pensava di poter misurare il tempo trascorso tra l'accensione di una lanterna e la visione della luce di risposta e, di conseguenza, la velocità della luce: ma l’esperimento non portò nessun risultato misurabile.

l'esperimento di ole romer

Le prime misure sulla velocità della luce furono effettuate da Ole Romer nel 1676 mediante l’osservazione dei satelliti di Giove. Osservò che il moto di una delle lune di Giove non si ripeteva regolarmente nel tempo e si notava una variazione nel periodo delle sue eclissi: quando la Terra si trovava vicino a Giove l'eclissi era in anticipo di circa 16 minuti rispetto a quando i 2 pianeti erano lontani.

Questo valore è circa il tempo impiegato dalla luce per attraversare l'orbita terrestre e lo scienziato annunciò di aver ottenuto per la velocità della luce un valore pari a 2,25 * 10^8 m/s.

l'esperimento di Armand Fizeau

Fu il primo a misurare la velocità della luce in laboratorio, osservando distanze terrestri.

La luce viene proiettata e fatta passare nell'incavo della ruota...

strumenti:

• 2 specchi
• 1 ruota dentata

se la velocità della rotazione della ruota è appropriata allora la luce riflessa passa attraverso l’incavo successivo della ruota.

Fizeau riuscì ad ottenere per la velocità della luce il valore di 3,13*10^8 m/s, simile al risultato odierno che è precisamente 299792458 m/s e apprissimativamente 3,10*10^8 m/s.

...poi attraversa lo specchio e viene riflessa

LA RIFLESSIONE DELLA LUCE

La luce, quando riflessa da una superifice liscia come uno specchio, viene definita mediante la "legge della riflessione". Tale legge afferma che la luce che si propaga mediante un "raggio incidente", genera, rispetto a una retta immaginaria perpendiolare al piano chiamat a "normale", un angolo uguale a quello generato dalla normale con il "raggio riflesso".

Se si tratta di una sperificie ruvida, la riflessione è diffusa o irregolare.

LA RIFRAZIONE DELLA LUCE

E' il cambio della direzione di propagazione della luce a seguito di un cambio del mezzo di propagazione.

Teoria Corpuscolare:

la luce è un insieme di corpuscoli

• Riflessione: fenomeno dei raggi incidente e di riflessione, i quali rappresentano le direzioni di movimento dei corpuscoli di luci che urtano sulla superficie.

• Rifrazione: è il fenomeno che subiscono le particelle incidenti sul materiale rifrangente dopo l'urto delle forze perpendicolari alla superficie che ne aumentava la velocità, cambiandone la traiettoria.

TEORIA ONDULATORIA:

la luce come insieme di onde

• Riflessione: fenomeno in cui il raggio è perpendicolare al fronte d’onda (creste di propagazione delle onde) e rappresenta la direzione di propagazione dell’onda. Man mano che il fronte d'onda si allontana si allinea sempre di più e diventa piano.

• Rifrazione: fenomeno che avviene durante il passaggio della luce da un mezzo meno rifrangente a uno più rifrangente, i cui variano le direzioni dei fronti d'onda a causa di una variazione di lunghezza d'onda e velocità.

La rifrazione è quindi influenzata da una costante di rifrazione "n" del mezzo data dal rapporto tra la velocità della luce e quella di propagazione nel mezzo.

DISPERSIONE DELLA LUCE

La luce bianca visibile appare come l'unione di un insieme di colori che prende il nome di "spettro". "Minore è la lunghezza d'onda, maggiore sarà l'indice di rifrazione".

spettro dei colori

La luce bianca appare quindi come l'insieme di molteplici lunghezze d'onda che in seguito alla rifrazione risulta separata in diversi colori. Tale fenomeno è chiamato "dispersione"

le caratteristiche della

luce

Secondo il principio di Huygens una fenditura, o apertura, agisce come una sorgente di onde che si propagano verso l’esterno in tutte le direzioni. Tale fenomeno si manifesta solo se la fenditura ha una dimensione paragonabile alla lunghezza d’onda.

• LA DIFFRAZIONE

• la sovrapposizione

la perturbazione, data dalla combinazione delle onde, è la somma algebrica delle perturbazioni di ogni singola onda. Se le onde, sommandosi, generano una perturbazione maggiore, allora generano un'interferenza costruttiva, mentre se la perturbazione risultante è minore si tratta di un'interferenza distruttiva.

inoltre la diffrazione fa sì che tutte le onde deviino, o vengano diffratte, quando attraversano una barriera o una qualsiasi apertura.

quando le fasi delle sorgenti variano casualmente nel tempo.

2 sorgenti di luce possono essere

coerenti

quando generano un'interferenza nel caso in cui mantengono reciprocamente una relazione di fase costante.

incoerenti

interferenza tra onde

il fatto che due onde interferiscano tra loro costruttivamente o distruttivamente dipende solamente dalla loro fase relativa. 2 onde si dicono “in fase” quando hanno una differenza di fase nulla: si sommano costruttivamente e registrano un aumento di ampiezza.

• DISTRUTTIVA:

• COSTRUTTIVA:

si verifica quando due onde, di uguale ampiezza, sono sfasate di λ/2, e quindi di mezza lunghezza d’onda e risulta un’ampiezza nulla.

si verifica qundo due onde sono sfasate di λ, cioè dell’intera lunghezza d’onda.

Possiamo applicare le osservazioni precedenti ad un sistema formato da due sorgenti luminose monocromatiche che emettono onde di frequenza f e lunghezza d’onda λ. Tali sorgenti sono tra loro coerenti ed emettono onde in fase. Quando le onde luminose emesse dalle sorgenti raggiungeranno il punto P₀ avranno compiuto la stessa distanza e quindi, nel punto, ci sarà un’interferenza costruttiva e un massimo di luminosità. Nel punto P₁ le onde percorrono due distanze diverse, l₁ e l₂. Se l₁ - l₂ = λ le onde saranno sfasate di un’intera lunghezza d’onda e anche in questo punto si avrà un’interferenza costruttiva. Se invece consideriamo un punto generico in cui l₁ - l₂ = mλ si osserverà un’interferenza costruttiva. La luce, insieme a raggi X, raggi gamma, raggi infrarossi ecc., fa parte delle onde elettromagnetiche. Per tutte le onde appartenenti a questa categoria valgono le stesse valutazioni fatte per la luce.

sorgenti luminose

Riassumendo, si parla di un’interferenza COSTRUTTIVA quando: l₁ - l₂ = mλ con m = 0, ± 1, ± 2, ... e si parla di un’interferenza DISTRUTTIVA quando: l₁ - l₂ = (m- ½)λ con m = 0, ± 1, ± 2, …

L’ESPERIMENTO DELLA DOPPIA FENDITURA DI YOUNG

Thomas Young fece passare attraverso una fenditura un fascio di luce monocromatica che passa a sua volta attraverso altre due fenditure poste su un secondo schermo che proiettano tale luce su un altro schermo più lontano, creando una figura di interferenza con frange scure e luminose. La prima fenditura serve solo per dare una forma puntiforme alla luce: la parte più importante è il secondo schermo. La luce ha la stessa fase quando attraversa le fenditure per via della stessa distanza dalla singola fenditura. L'esperimento permette di considerare la luce come un modello corpuscolare o ondulatorio.

Con una distanza d tra le fenditure la differenza di cammino Δl della luce che proviene dalle fenditure si calcola: Δl = d sen θ Da cui deriva: d sen θ = λ e quindi sen θ = λ/d

Condizione per le frange luminose (interferenza costruttiva): d sen θ = m λ con m = 0, ±1; ±2, ... Condizione per le frange scure (interferenza distruttiva): d sen θ = (m-½) λ con m = 1, 2, 3, … d sen θ = (m+½) λ con m = -1, -2, -3, … Con L, che è la distanza dello schermo, e d che è di molto più piccola rispetto alla distanza L, si può trovare la distanza y tra una frangia e quella centrale che si calcola: y = L tg θ