LA LUCE

1. LA LUCE

2. Fisica e Chimica

3. Newton(1642-1727)

4. Teoria corpuscolare • La luce è composta da particelle dotate di energia e impulso. • Tali particelle vengono liberate dai corpi luminosi e si propagano in linea retta. • La riflessione è spiegata tramite il rimbalzo delle particelle nel momento dell’urto con una superficie.

5. La rifrazione è dovuta alle forze che le molecole di una sostanza esercitano sulle particelle di luce deviandone la direzione. • La luce è più veloce nei corpi rispetto al vuoto. • Luci di colori diversi vengono rifratte con angoli differenti a parità di indice di rifrazione.

6. Le particelle hanno diversa massa: • i corpuscoli più grossi provocano la sensazione del rosso; • i corpuscoli più piccoli danno la sensazione del violetto.

7. Newton riuscì a spiegare: • riflessione, • differenze di colore, • propagazione della luce dalla Terra al Sole. • La teoria corpuscolare però non poteva dare una spiegazione a: • assorbimento della luce dei corpi opachi, • diffrazione, • interferenza.

8. Huygens(1629-1695)

9. Teoria ondulatoria • La luce è costituita da un insieme di onde meccaniche che si propagano in linea retta. • Le vibrazioni dei corpi luminosi producono tali onde. • La propagazione della luce è dovuta all’oscillazione dell’etere.

10. L’etere è un mezzo isotropo, estremamente sottile, composto da corpiccioli elastici. • L’etere propaga la luce oscillando ma non assume un moto traslatorio. • Principio di Huygens per spiegare la rifrazione.

11. Assunzione che la velocità della luce è inferiore nei mezzi che non siano l’etere (ipotesi confermata dai successivi studi sulla velocità della luce). • Spiegazione del fenomeno della diffrazione attraverso il principio di Huygens.

12. Young(1773-1829)

13. Young effettuò un esperimento cruciale ottenendo prove convincenti riguardo 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, una serie di frange laterali alternativamente chiare e scure.

15. L’immagine che si forma è una figura d’interferenza spiegabile solo attraverso la teoria ondulatoria. • Nelle zone chiare vi è interferenza costruttiva.

16. Nelle zone scure vi è interferenza distruttiva. Il risultato dell’interferenza dipende dalla differenza di lunghezza tra i cammini percorsi dalle onde provenienti dalle due fenditure.

17. Maxwell(1831-1879)

18. Egli ipotizzò che la propagazione della luce fosse dovuta alla propagazione di un campo elettromagnetico. • Per avanzare tale ipotesi egli partì dall’analisi dell’induzione elettromagnetica. • Un campo magnetico variabile genera un campo elettrico variabile.

19. Basandosi su un’idea di simmetria della natura, Maxwell ipotizzò che anche una variazione di campo elettrico producesse un campo magnetico variabile. • Alla variazione di campo magnetico, in una determinata zona di spazio, segue la produzione di un campo elettrico variabile il quale a sua volta produce un campo magnetico variabile e così via all’infinito.

20. Si propaga in questo modo un’onda elettromagnetica, indipendentemente dalla presenza di materia in quanto è un’onda di campo. • I campi magnetico ed elettrico sono perpendicolari tra loro e in fase.

21. La luce rappresenta una particolare classe di onde EM con lunghezza d’onda compresa tra 380 e 710 nm.

22. L’ipotesi di Maxwell fu confermata dagli esperimenti di Hertz. • Hertz fu il primo a generare e rilevare le onde EM e a dimostrare tutte le sue proprietà.

23. L’insieme delle onde EM viene descritto attraverso lo spettro elettromagnetico che comprende: • Raggi γ • Raggi X • Raggi UV • Luce visibile • Infrarossi • Microonde • Onde radar • Onde radio

24. Gli esperimenti condotti da Michelson e Morley smentirono la necessita dell’etere per la propagazione delle onde EM. • Essi non furono in grado di rilevare alcun moto della Terra rispetto all’etere.

25. Planck(1858-1947)

26. Alla fine del XIX secolo attendeva ancora spiegazione il fenomeno della luce emessa dai corpi incandescenti. • L’intensità della radiazione emessa è proporzionale alla quarta potenza della temperatura assoluta. • Un corpo che assorbe tutte le radiazioni viene definito corpo nero.

27. Il corpo nero, se riscaldato, emette radiazioni aventi distribuzione continua di frequenze, ma presenta un picco di emissione. • La lunghezza d’onda del picco di emissione diminuisce all’aumentare della temperatura seguendo la legge di Wien.

28. Al crescere della temperatura aumenta anche l’intensità delle radiazioni emesse alle varie lunghezze d’onda.

29. La teoria di Maxwell prevedeva correttamente quale poteva essere la causa dell’emissione. • Non era coerente, però, con lo spettro ottenuto sperimentalmente. • Ipotesi dei quanti di Planck: • Prevede correttamente l’andamento delle intensità delle radiazioni di un corpo nero.

30. È necessario ammettere che l’energia distribuita tra le cariche elettriche oscillanti delle molecole non è continua ma discreta. • Le quantità discrete di energia sono legate alla frequenza di oscillazione.

31. Einstein(1879-1955)

32. Rifacendosi all’idea dei quanti, Einstein propose una nuova teoria per la luce. • Teoria quantistica della luce. • Studio dell’effetto fotoelettrico. • Tale fenomeno risulta compatibile con la teoria ondulatoria della luce.

33. I risultati sperimentali, però, sono in netto contrasto con le previsioni elaborate a partire dalla teoria ondulatoria. • Una corretta spiegazione è possibile solo assumendo che: • L’energia trasportata dall’onda sia concentrata in pacchetti o quanti di energia.

34. La quantità di energia trasportata dal quanto di luce dipende unicamente dalla frequenza. • Aumentare l’intensità significa solo aumentare il numero di fotoni per unità di superficie trasportati dal fascio, ma non variare la loro energia.

35. Bohr(1885-1962)

36. Lo spettro dell’idrogeno • L’idrogeno portato a elevate temperature emette onde EM con uno spettro a righe. • Emissione: • UV • Banda del visibile • Infrarossi

37. Le onde emesse dagli atomi di idrogeno eccitati hanno un significato strutturale. • Bohr elaborò un modello di struttura atomica adatto a spiegare gli spettri di emissione e assorbimento dell’idrogeno. • Egli pensò che anche gli elettroni perdono o assorbono energia solo per salti quantici.

38. Lo spettro di emissione a righe si origina nel momento in cui un elettrone passa da un livello superiore di energia ad un livello inferire emettendo un fotone.

39. La teoria di Bohr permette di spiegare, inoltre, l’origine degli spettri di assorbimento. • Il modello atomico quantizzato prevede con precisione il valore dell’energia di ionizzazione dell’idrogeno.

40. Compton(1892-1962)

41. Effetto Compton • I raggi luminosi di breve lunghezza d’onda diffusi da una sostanza hanno frequenza più bassa rispetto al raggio incidente. • La lunghezza d’onda dei fotoni diffusi dipende dall’angolo con cui vengono deviati.

42. Tale scoperta è spiegabile solo in termini di urti tra i fotoni e le molecole della sostanza. • La teoria ondulatoria classica non dà ragione di questo fenomeno (la frequenza non dovrebbe cambiare).

43. Dualismo onda-particella • La teoria corpuscolare della luce viene posta su solide basi sperimentali da: • Effetto fotoelettrico • Emissione e assorbimento di spettri a righe • Effetto Compton

44. La teoria ondulatoria trova un importante fondamento negli esperimenti sull’interferenza e la diffrazione. • Entrambe le teorie sono valide. • È necessario, per avere la piena comprensione di un fenomeno legato alla luce, tenere presenti entrambi gli aspetti, corpuscolare e ondulatorio.

45. Astronomia

46. La composizione chimica delle stelle viene determinata attraverso l’analisi della posizione e dello spessore delle righe negli spettri di emissione. • I gas compressi ad alta temperatura emettono spettri continui. • I gas dell’atmosfera stellare assorbono determinate lunghezze d’onda.

47. Allo spettro di emissione continuo della stella si sovrappone quello di assorbimento a righe dell’atmosfera stellare. • Gli spettri stellari sono suddivisi in tipi spettrali in base a particolari affinità. • Le caratteristiche delle classi spettrali variano in base al colore con cui appare una stella.

48. Il colore di una stella dipende dalla sua temperatura superficiale in accordo con la legge di Wien. • Le stelle vengono classificate attraverso classi spettrali in base alla loro temperatura superficiale che condiziona il colore e le caratteristiche dello spettro.

49. Classi spettrali (in ordine decrescente di temperatura): O, B, A, F, G, K, M. • Nell’antichità le stelle venivano classificate in base alla luminosità, la quale veniva considerata funzione della grandezza. • Lo splendore di una stella, in realtà, dipende dalla sua distanza dall’osservatore.

50. Per poter determinare le dimensioni effettive di un astro è necessario considerare la luminosità intrinseca calcolata attraverso la legge di Stefan-Boltzmann. • Le stelle che appartengono alla stessa classe spettrale hanno luminosità intrinseca, quindi magnitudine assoluta, uguale.