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Luce

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Se avete mai trascorso una giornata in spiaggia, avrete notato le onde che si infrangono contro la riva. La luce non corrisponde immediatamente alla descrizione di un'onda, anche se è un'onda. Le onde luminose sono periodiche, proprio come le onde dell'acqua nell'oceano. Possono anche sperimentare proprietà del moto ondoso che di solito sono associate ad altri tipi di onde, come la riflessione, la rifrazione e la diffrazione, per citare alcuni esempi.

Luce: definizione

Prima di discutere il comportamento della luce, dobbiamo essere in grado di identificare che cos'è la luce. Ci sono molte descrizioni che possono essere utilizzate per classificare le onde, ma per evitare confusione, in questo articolo considereremo la luce come un'onda pura, andremo quindi a studiare quella che è la teoria ondulatoria della luce.

Possiamo quindi definirla come segue.

La luce è definita come un'onda elettromagnetica con una lunghezza d'onda nella parte visibile dello spettro elettromagnetico (da 380 a 700 nanometri). In altre parole, la luce è qualsiasi onda elettromagnetica che possiamo vedere con i nostri occhi.

Teoria corpuscolare

Prima di immergerci completamente nella teoria ondulatoria della luce, accenniamo brevemente a quella che è la teoria corpuscolare.

Tra la fine del Seicento e l'inizio del Settecento, Isaac Newton formulò una sua teoria per spiegare i fenomeni della luce che si possono osservare quotidianamente. Secondo Newton, la luce sarebbe stata composta da tanti piccoli corpuscoli (chiamati fotoni) che vengono liberati dai corpi luminosi.

La teoria corpuscolare era in grado di spiegare un certo numero di fenomeni (riflessione, i colori, in parte la dispersione della lcue), ma non riusciva a coprire fenomeni più complessi che richiedevano una visione completamente diversa della luce, come la rifrazione (parzialmente spiegabile, ma in maniera molto complessa) o i fenomeni di interferenza.

Teoria ondulatoria

Abbiamo affermato che la luce è un'onda, suggerendo che ogni raggio di luce dovrebbe avere una lunghezza d'onda associata e viaggiare in linea retta.

La lunghezza d'onda è la distanza tra due punti successivi di un'onda che sono in fase (ad esempio, due creste o due ventri successivi).

Le onde luminose possono avere lunghezze d'onda diverse, che determinano il colore della luce visibile che si osserva. Ciò significa che ogni volta che si osserva una bella rosa rossa in una giornata di sole, gli occhi percepiscono un riflesso di luce rossa dalla rosa, con una lunghezza d'onda di circa 650 nm.

Ora possiamo essere più precisi e dire che la natura della luce è quella di un'onda trasversale. Trasporta energia da un punto all'altro, proprio come fanno tutte le onde che si muovono da un luogo a un altro. La parola trasversale è semplicemente un riferimento al fatto che i campi elettrici e magnetici oscillano (ondeggiano), da cui il termine elettromagnetico.

Dispersione della luce

La luce bianca, come quella del sole, è costituita da tutte le lunghezze d'onda della luce visibile. Lo sappiamo perché la luce presenta una proprietà chiamata dispersione quando passa attraverso un prisma di vetro, come mostrato nella figura seguente.

La luce Dispersione della luce StudySmarterFigura 1. Luce bianca viene dispersa nei colori dell'arcobaleno attraverso un prisma. Fonte: Wikimedia Commons (CC BY-SA 4.0)

La luce bianca, una volta dispersa, ci dà tutti i colori dello spettro elettromagnetico visibile, che è quello che si vede in un arcobaleno. La luce rossa ha una lunghezza d'onda di circa 700 nanometri (700 x 10-9 metri), mentre la luce viola, all'estremità opposta dello spettro elettromagnetico, ha una lunghezza d'onda di circa 380 nanometri.

Velocità della luce

Tutte le onde che si spostano possono essere considerate essenzialmente come oscillazioni in movimento che trasportano energia. Ciò significa che le onde luminose fanno eccezione e, se la luce è in movimento, deve avere una velocità. Si è scoperto che la luce non solo ha una velocità, ma che è anche la massima velocità raggiungibile nell'universo. La velocità della luce nello spazio libero, \(c\), è di circa 300 milioni di metri al secondo (3,00 x 108 m/s), questo numero è una costante fondamentale ed è essenzialmente il limite di velocità dell'universo.

È importante notare che la luce ha velocità diverse in materiali diversi, ma la velocità c è misurata nel vuoto. È anche possibile superare la velocità (ridotta) della luce in un mezzo, ma non è possibile superare c nel vuoto.

Velocità della luce: formula

Questa affermazione ci dice che, indipendentemente dal colore (o dalla lunghezza d'onda) della luce, la sua velocità è sempre la stessa. Tuttavia, dall'argomento delle onde sappiamo che la velocità di un'onda v, o in questo caso c, può essere scritta come segue:

\[ velocità = frequenza \times lunghezza \: d'onda\] \[c=f\lambda\]

In questo caso, sappiamo che la lunghezza d'onda della luce è \(\lambda\) e la frequenza dell'onda è \(f\). Pertanto, per mantenere c costante, la lunghezza d'onda e la frequenza dell'onda devono essere inversamente proporzionali (cioè, un aumento dell'una porta a una diminuzione dell'altra e viceversa).

La frequenza \(f\) di un'onda è il numero di oscillazioni complete dell'onda che passa per un punto fisso ogni secondo. La frequenza si misura in \(s^{-1}\) o equivalentemente in Hz.

Usiamo questa equazione per trovare la lunghezza d'onda della luce rossa nel seguente esempio.

Qual è la lunghezza d'onda della luce rossa emessa da un laser a 4,6 x 1014 Hz?

Conosciamo la frequenza della luce laser e che la velocità della luce c è 3,00 x 108 m/s, quindi possiamo applicare la definizione di lunghezza d'onda:

\[c=f\lambda\] \[\lambda = \frac{c}{f}\] \[\lambda = \frac{3,00 \cdot 10^8 ms^{-1}}{4,6 \cdot 10^{14}Hz} = 6,5 \cdot 10^{-7} m = 650 nm\]

Questa lunghezza d'onda corrisponde al colore rosso.

Proprietà della luce

Le proprietà delle onde luminose sono numerose, ma ne discuteremo in dettaglio due: la riflessione e la rifrazione. Si tratta di due delle proprietà più importanti della luce, che possono essere utilizzate per effettuare osservazioni di oggetti lontani nell'universo. Per una trattazione più completa, su StudySmarter abbiamo spiegazioni dedicate a rifrazione, diffrazione e interferenza!

Riflessione della luce

Abbiamo già detto che il colore di una rosa è dovuto alla riflessione della luce visibile dalla rosa stessa. La riflessione è una proprietà del moto ondulatorio esibita dalla luce visibile. La riflessione si verifica quando la luce che viaggia attraverso un certo mezzo è incidente su un bordo tra due mezzi, e la luce "rimbalza" sul bordo o cambia direzione quando colpisce il bordo e prosegue nel mezzo originale. Per un'illustrazione di questo fenomeno, si veda il diagramma seguente:

La luce Riflessione della luce StudySmarter

Figura 2. Un raggio di luce che attraversa l'aria incide su uno specchio, viene riflesso cambiando direzione, ma rimanendo nell'aria. Fonte: Wikimedia Commons (CC BY 4.0)

Si può notare che l'angolo rispetto allo specchio piano è lo stesso sia per il raggio incidente sia per il raggio riflesso. Immaginate di trovarvi sulla traiettoria del raggio riflesso e sostituite lo specchio piano con un tranquillo lago blu. Il lago riflette i raggi di luce visibile provenienti dal cielo (nuvole e tutto il resto) e invia i raggi riflessi nei vostri occhi: ecco perché potete vedere il cielo sopra di voi guardando in basso.

Rifrazione della luce

La rifrazione è un'altra proprietà del moto ondoso che si manifesta con la luce visibile. Si verifica quando i raggi luminosi si spostano da un mezzo a un altro e, nel farlo, cambiano direzione e velocità. Questo fenomeno è illustrato dalla freccia rossa nella figura seguente.

Light Diagram showing the refraction of light StudySmarterFigura 3. Un raggio di luce incide sul bordo tra due mezzi. Viene rifratto e cambia direzione, muovendosi lungo la freccia rossa. Fonte: immagine adattata da CNX OpenStax CC BY 4.0

I tipi di mezzi e la lunghezza d'onda (colore) della luce incidente determinano la misura in cui un raggio di luce viene rifratto quando si muove tra i mezzi. La rifrazione è il motivo per cui gli oggetti in una piscina o in un lago profondo sembrano più vicini alla superficie di quanto non siano in realtà. Questo fenomeno è chiamato profondità apparente.

L'illustrazione seguente mostra una matita posta in un contenitore d'acqua. L'estremità inferiore della matita si trova nel punto X, ma in realtà sembra trovarsi in Y per chi osserva dall'alto. Diciamo che la profondità apparente dell'estremità inferiore della matita è la distanza da Y alla superficie.

La luce Profondità apparente StudySmarterFigura 4. Un'illustrazione della profondità apparente. Una matita con l'estremità inferiore a profondità X sembra in realtà avere l'estremità a profondità Y a causa della rifrazione. Fonte: Wikimedia Commons CC BY-SA 3.0

Altre proprietà della luce

La riflessione e la rifrazione non sono le uniche proprietà delle onde luminose, ma sono due delle più importanti. Altre proprietà della luce sono l'interferenza, la diffrazione, la polarizzazione, la diffusione e la dispersione. Come per la profondità apparente, l'approfondimento di ognuna di queste proprietà ci permetterà di capire i fenomeni che viviamo quotidianamente ma che non riusciamo a spiegare.

La luce - Key takeaways

  • La luce è un'onda e rientra nella parte visibile dello spettro elettromagnetico.
  • Le onde luminose viaggiano in linea retta.
  • La lunghezza d'onda di un'onda luminosa visibile ne determina il colore.
  • La luce viola ha una lunghezza d'onda di 380 nanometri, mentre la luce rossa, all'altra estremità dello spettro elettromagnetico visibile, ha una lunghezza d'onda di 700 nanometri.
  • La velocità della luce nel vuoto \(c\) è di circa 300 milioni di metri al secondo (3,00 x 108 m/s) ed è la massima velocità per l'universo.
  • L'equazione che lega la velocità della luce alla lunghezza d'onda e alla frequenza è data da \(c =f \lambda\), dove \(\lambda\) è la lunghezza d'onda della luce e \(f\) è la sua frequenza.
  • La riflessione è una proprietà della luce per cui un raggio di luce colpisce il bordo tra due mezzi e rimane nel mezzo originario.
  • La rifrazione è una proprietà della luce per cui un raggio di luce colpisce il bordo tra due mezzi e si sposta dal primo al secondo, cambiando direzione e velocità.
  • La profondità apparente degli oggetti immersi nell'acqua può essere spiegata dalla rifrazione.
  • Altre proprietà della luce sono l'interferenza, la diffrazione, la polarizzazione, la diffusione e la dispersione.

Domande frequenti riguardo Luce

La luce si divide quando passa attraverso un mezzo dispersivo, come un prisma. Quando la luce viene divisa, questa si separa nel suo spettro elettromagnetico, dividendosi nei colori dell'arcobaleno.

La luce è definita come un'onda elettromagnetica con una lunghezza d'onda nella parte visibile dello spettro elettromagnetico (da 380 a 700 nanometri). In altre parole, la luce è qualsiasi onda elettromagnetica che possiamo vedere con i nostri occhi.

La luce si propaga in qualunque mezzo trasparente o semitrasparente, come il vetro, l'acqua, il vuoto dello spazio.

Quiz Finale Luce

Cos'è la luce?

La luce è definita come un'onda elettromagnetica con una lunghezza d'onda nella parte visibile dello spettro elettromagnetico (da 380 a 700 nanometri). In altre parole, la luce è qualsiasi onda elettromagnetica che possiamo vedere con i nostri occhi.

Quali sono le due teorie per descrivere la luce?

Teoria corpuscolare e ondulatoria

Cos'è la lunghezza d'onda?

La lunghezza d'onda è la distanza tra due punti successivi di un'onda che sono in fase (ad esempio, due creste o due ventri successivi).

Cosa vuol dire disperdere la luce?

Vuol dire usare un sistema ottico per separarla nei colori dello spettro visibile.

Qual è la velocità della luce?

Circa 300 milioni di metri al secondo.

Vero o Falso: la velocità della luce è la velocità massima dell'universo

Vero

Qual è la formula che lega velocità della luce, frequenza e lunghezza d'onda?


Cos'è la profondità apparente?

La profondità apparente è quell'effetto che si ottiene quando un oggetto immerso in acqua appare più vicino alla superficie di quanto non sia.

Nomina due proprietà della luce

Riflessione e Rifrazione

La natura della luce è quella di un'onda...

Trasversale

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