LA NATURA FISICA DELLA LUCE

LA NATURA FISICA DELLA LUCE

1864-1873

1900

1704

Antichità

Modello di Newton

attualità

La teoria dei quanti

L'elettromagnetismo di Maxwell

V-IV secolo a.C

1801

1897

1905

1678-1690

Trasformazioni di Lorentz

I fotoni di Einstein

L'esperimento di Young

Modello di Huygens

History Timeline

19XX-20XX

20XX

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La luce

Nell'antichità

Per gli antichi filosofi greci il concetto fisico della luce non era separato dall'aspetto biologico della visione.

• Empedocle

teoria dell'emissione: la luce proviene dagli occhi e ''tocca'' gli oggetti.

• Aristotele

la luce è una qualità del mezzo (aria o etere) che rende visibili gli oggetti.

Modello ondulatorio

Christiaan Huygens

Christiaan Huygens formulò la prima teoria ondulatoria dettagliata, spiegando riflessione e rifrazione. Immaginò la luce come un'onda meccanica longitudinale. Secondo la sua concezione, la luce aveva bisogno di un mezzo elastico per propagarsi, che non poteva essere l'aria in quanto la luce viaggia anche dove essa è assente. Huygens, riprendendo Aristotele, ipotizzò quindi l'esistenza dell'etere cosmico che avrebbe consentito la propagazione della luce.

Modello corpuscolare di Isaac Newton

Newton fu il primo a costruire una teoria corpuscolare della luce. Secondo questa teoria la luce è formata da un fascio di particelle che intersecandosi con un altro produce collisioni. A seguito di queste collisioni le particelle assumono determinate caratteristiche.Newton sosteneva che le proprietà della luce fossero descritte dai principi meccanici che regolano i moti di tutti i corpi. Inoltre il fatto che i corpuscoli luminosi avessero una massa trascurabile e una velocità elevata spiegava perché la propagazione della luce non venisse deviata dalla gravità terrestre.

L'esperimento di Young

Thomas Young effettuò un esperimento cruciale che dimostrò 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, si osservano frange luminose (onde in fase, interferenza costruttiva) alternate a frange scure (onde in opposizione di fase, interferenza distruttiva). L'esperimento dimostra che la luce ha proprietà ondulatorie. Ripetuto con elettroni, ha confermato anche il dualismo onda-particella della materia.

• 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 percorsidalle onde provenienti dalle due fenditure.

La teoria dell'elettromagnetismo

James Clerk Maxwell ha unificato elettricità e magnetismo in un’unica teoria: l’elettromagnetismo.Egli ha formulato 4 equazioni che descrivono le leggi fondamentali che governano l'interazione elettromagnetica.Maxwell osservò anche che queste equazioni ammettono soluzioni ondulatorie. Questa si applica a qualunque tipo di fenomeno oscillante ed è quindi la stessa che descrive la propagazione delle onde acustiche, sismiche o marine. Nelle onde elettromagnetiche ad oscillare sono i campi elettrici e magnetici. Le proprietà sono definite solo dalla lunghezza dell'onda elettromagnetica, ossia la distanza che l’onda percorre (alla velocità di 2,998 * 10^8 m/s) mentre il campo compie una completa oscillazione.

ill contributo di Lorentz

La teoria dell'elettromagnetismo di Maxwell, produceva delle contraddizioni, la non invarianza della velocità della luce rispetto al sistema di riferimento. Lorentz risolse tali contraddizioni formulando le trasformazioni di Lorentz che costituiscono la base della teoria della relatività di Einstein. Nonostante questo, Lorentz, come Maxwell, credeva nell'esistenza dell'etere luminifero in qui si propagano le onde elettromagnetiche

L'ipotesi di Planck

Max Planck sosteneva che ogni carica elettrica oscillante emettesse e assorbisse solo multipli interi di una quantità minima di energia, chiamata quanto, direttamente proporzionale alla frequenza di oscillaziione.Nella formula che esprime la teoria di Planck, appare una nuova costante, successivamente chiamata costante di Planck. Questa ipotesi segnò la nascita di una teoria, la fisica dei quanti, che creò un'immagine del tutto nuova della scienza e della natura.

I fotoni di Einstein

Nel 1905, Albert Einstein propose che la luce fosse composta da pacchetti discreti di energia, denominati fotoni, per spiegare l'effetto fotoelettrico. Questa teoria, premiata col Nobel nel 1921, ipotizzò che la luce avesse una natura corpuscolare, descrivendo l'energia di ogni fotone come direttamente proporzionale alla sua frequenza. Con la relatività generale scopre inoltre che la propagazione della luce, in contrapposizione al pensiero di Newton, è deviata dalla gravità

Il dualismo della luce

L'ipotesi di Louis de Broglie (1924) afferma che tutta la materia possiede una doppia natura, sia corpuscolare che ondulatoria, estendendo il dualismo onda-particella della luce alle particelle con massa come gli elettroni. Ad oggi consideriamo la luce come un'entità fisica che manifesta una duplice natura: in alcune circostanze si comporta da onda, e in altre ha le caratteristiche di una corrente di fotoni.