Luce

Forma di radiazione elettromagnetica, come il calore, le onde radio e i raggi X. La luce consiste sostanzialmente di rapidissime oscillazioni del campo elettromagnetico, in un particolare intervallo di frequenze che possono essere rivelate dall'occhio umano, e che costituiscono il cosiddetto campo del visibile. I diversi colori della luce corrispondono alle diverse frequenze di vibrazione del campo elettromagnetico, che sono comprese tra circa 4 × 1014 vibrazioni al secondo (hertz) per la luce rossa, e circa 7,5 × 1014 vibrazioni al secondo per quella violetta. Lo spettro della luce visibile si definisce generalmente in termini di lunghezza d'onda, e va dalla lunghezza d'onda minore, che è quella del violetto, di circa 40 milionesimi di centimetro, ai 75 milionesimi di centimetro della lunghezza d'onda del rosso. A frequenze più alte di quella della luce violetta (e quindi per lunghezze d'onda più piccole), si trovano la radiazione ultravioletta e i raggi X. A frequenze più basse (lunghezze d'onda più grandi) si trovano invece la radiazione infrarossa e le onde radio. La radiazione luminosa viene generalmente prodotta dalla vibrazione degli elettroni in seguito, ad esempio, a forti sollecitazioni termiche: maggiore è la temperatura, maggiore è la frequenza di vibrazione degli elettroni e quindi della radiazione emessa.

La luce si propaga in linea retta in tutte le direzioni, raggiungendo, man mano che si allontana dalla sorgente che l'ha emessa, aree sempre più ampie. Quando colpisce un oggetto, essa può essere riflessa, diffusa o assorbita. In relazione alla natura della superficie su cui incide la radiazione, alcune frequenze vengono riflesse o diffuse meglio di altre, e questo determina il colore con cui vengono percepiti i vari oggetti. Le superfici bianche riflettono con la stessa intensità tutte le lunghezze d'onda della luce, mentre quelle che appaiono nere assorbono praticamente tutta la radiazione incidente. Perché si abbia il fenomeno della riflessione speculare è necessario che la superficie riflettente sia altamente pura e levigata, simile appunto a quella di uno specchio.

La definizione della natura della luce ha sempre rappresentato un problema fondamentale per la fisica. Il matematico e fisico britannico Isaac Newton propose un modello corpuscolare, cioè considerò la luce come composta da fasci di particelle, o in generale di corpuscoli di varia specie, proiettate da tutti i corpi luminosi. L'astronomo, matematico e fisico olandese Christiaan Huygens, invece, attribuì alla luce una natura ondulatoria, spiegandone il meccanismo di propagazione secondo le leggi del moto ondulatorio.

Attualmente si pensa che queste due teorie siano sostanzialmente complementari: lo sviluppo della teoria quantistica ha portato infatti a osservare che, in esperimenti diversi, la luce mostra alternativamente comportamenti tipicamente corpuscolari e comportamenti ondulatori. Nelle situazioni in cui la luce si propaga secondo le caratteristiche del moto ondulatorio comunque, le vibrazioni avvengono lungo una direzione perpendicolare a quella di propagazione, e sono quindi possibili due piani di polarizzazione mutuamente perpendicolari.

La velocità della luce fu misurata per la prima volta in un esperimento di laboratorio dal fisico francese Armand-Hippolyte-Louis Fizeau, sebbene altre osservazioni astronomiche avessero già permesso di determinarne il valore con una buona approssimazione. Oggi il valore della velocità della luce si conosce con estrema precisione: nel vuoto esso risulta pari a 299.792.458 m/sec. La misura dell'intervallo di tempo impiegato dalla radiazione luminosa per raggiungere un bersaglio e quindi tornare indietro permette di determinare distanze altrimenti impossibili da valutare in modo ugualmente accurato. In ciò consiste ad esempio il principio di funzionamento del radar e del sonar. L'unità di misura della lunghezza del Sistema Internazionale, il metro, è stato ridefinito come la lunghezza del cammino percorso dalla luce nel vuoto in un intervallo di tempo di 1/299.792.458 di secondo. La velocità di propagazione della luce in aria varia leggermente in funzione della lunghezza d'onda, e risulta in media minore di circa il 3% del valore nel vuoto; la velocità in acqua si riduce invece in media del 25% circa, e nel vetro del 33%.

La luce svolge un ruolo fondamentale in moltissimi campi, di cui è impossibile fornire un elenco completo. La luce del Sole ad esempio, viene impiegata dalle piante per la fotosintesi, un processo di sintesi di sostanze organiche complesse a partire da molecole inorganiche.

Scomposizione della luce bianca

Facendo passare un fascio di luce solare attraverso un prisma di vetro, si scopre che in realtà la luce che ci appare bianca è il risultato della sovrapposizione di diversi colori. Questo fenomeno è dovuto alla proprietà del prisma ottico di deviare i raggi di colore diverso in direzioni diverse: la luce rossa subisce la deviazione minore, la luce blu quella maggiore.