Luce
La luce (dal latino, 'lux, lucis') č l'agente fisico che rende visibili gli oggetti. Il termine luce si riferisce alla porzione dello spettro elettromagnetico visibile all'occhio umano, ma può includere altre forme della radiazione elettromagnetica. Le tre grandezze base della luce (e di tutte le radiazioni elettromagnetiche) sono la luminositĂ (o ampiezza), il colore (o frequenza) e la polarizzazione (o angolo di vibrazione). A causa della dualitĂ onda-particella, la luce mostra simultaneamente proprietĂ che appartengono sia alle onde che alle particelle.
La luce visibile č una porzione dello spettro elettromagnetico compresa tra i 400 e gli 800 nanometri (nm) (nell'aria). La luce č anche caratterizzata dalla sua frequenza. Frequenza e lunghezza d'onda obbediscono alla seguente relazione:
La luce si propaga a una velocitĂ finita. Anche gli osservatori in movimento, misurano sempre lo stesso valore di c, la velocitĂ della luce nel vuoto, dove c = 299.792.458 m/s; comunque, quando la luce passa attraverso una sostanza trasparente, come l'aria, l'acqua o il vetro, la sua velocitĂ viene ridotta, e la luce č sottoposta a rifrazione. Quindi si ha, n=1 nel vuoto e n>1 nella materia.
La velocitĂ della luce č stata misurata molte volte da numerosi fisici. La migliore tra le prime misurazioni venne eseguita da Olaus Roemer, (un fisico danese), nel 1676. Egli sviluppò un metodo di misurazione, osservando Giove e una delle sue lune con un telescopio. Grazie al fatto che la luna veniva eclissata da Giove a intervalli regolari, calcolò il periodo di rivoluzione della luna in 42,5 ore, quando la Terra era vicina a Giove. Il fatto che il periodo di rivoluzione si allungasse quando la distanza tra Giove e Terra aumentava, indicava che la luce impiegava piů tempo a raggiungere la Terra. La velocitĂ della luce venne calcolata analizzando la distanza tra i due pianeti in tempi differenti. Roemer calcolò una velocitĂ di 227.000 km/s.
Albert A. Michelson migliorò il lavoro di Roemer nel 1926. Usando uno specchio rotante, misurò il tempo impiegato dalla luce per percorrere il viaggio di andata e ritorno dal monte Wilson al monte San Antonio in California. La misura precisa portò a una velocità di 299.796 km/s. Nell'uso comune, questo valore viene arrotondato a 300.000 km/s.
Lo studio della luce e dell'interazione tra luce e materia č detto ottica L'osservazione e lo studio dei fenomeni ottici, come ad esempio l'arcobaleno offre molti indizi sulla natura della luce.
Le differenti lunghezze d'onda vengono interpretate dal cervello come colori, che vanno dal rosso delle lunghezze d'onda piů ampie (minore frequenza), al violetto delle lunghezze d'onda piů brevi (maggiore frequenza). Le frequenze comprese tra questi due estremi vengono percepite come arancio, giallo, verde, blu e indaco. Le frequenze immediatamente al di fuori di questo spettro percettibile dall'occhio umano vengono chiamate ultravioletto (UV), per le alte frequenze, e infrarosso (IR) per le basse. Anche se gli esseri umani non possono vedere l'infrarosso, esso viene percepito dai recettori della pelle come calore. Telecamere in grado di captare i raggi infrarossi e convertirli in luce visibile, vengono chiamati visori notturni. La radiazione ultravioletta non viene percepita dagli esseri umani, se non in maniera molto indiretta, in quanto la sovraesposizione della pelle ai raggi UV causa scottature. Alcuni animali, come le api, riescono a vedere gli ultravioletti; altri invece riescono a vedere gli infrarossi.
Le seguenti sono quantitĂ o unitĂ di misura della luce:
Teorie sulla luce
Teoria corpuscolare
Formulata da Isaac Newton nel XVII secolo. La luce viene vista come composta da piccole particelle di materia (corpuscoli) emesse in tutte le direzioni. Oltre che essere matematicamente molto semplice (molto piů della teoria ondulatoria) questa teoria spiega molto facilmente alcune caratteristiche della propagazione della luce che erano ben note all'epoca di Newton. Innanzi tutto la meccanica galileiana prevede, correttamente, che le particelle (inclusi i corpuscoli di luce) si propaghino in linea retta ed il fatto che questi fossero previsti essere molto leggeri č coerente con una velocitĂ della luce alta ma non infinita. Anche il fenomeno della riflessione può essere spiegato in maniera semplice tramite l'urto elastico della particella di luce sulla superficie riflettente.
La spiegazione della rifrazione č leggermente piů complicata ma tutt'altro che impossibile: basta infatti pensare che le particelle incidenti sul materiale rifrangente subiscano, ad opera di questo, delle forze perpendicolari alla superficie che ne cambiano la traiettoria.
I colori dell'arcobaleno venivano spiegati tramite l'introduzione di un gran numero di corpuscoli di luce diversi (uno per ogni colore) ed il bianco era pensato come formato da tante di queste particelle. La separazione dei colori ad opera, ad esempio, di un prisma poneva qualche problema teorico in piů perchĂ© le particelle di luce dovrebbero avere proprietĂ identiche nel vuoto ma diverse all'interno della materia.
Una conseguenza della teoria corpuscolare della luce č che questa, per via dell'accelerazione gravitazionale, aumenti la sua velocitĂ quando si propaga all'interno di un mezzo.Teoria ondulatoria
Formulata da Christiaan Huygens nel 1678 ma pubblicata solo nel 1690 nel Traite de Lumiere. La luce viene vista come un'onda che si propaga (in maniera del tutto simile alle onde del mare o a quelle acustiche) in un mezzo, chiamato etere, che si supponeva pervadere tutto l'universo ed essere formato da microscopiche particelle elastiche. La teoria ondulatoria della luce permetteva di spiegare (anche se in maniera matematicamente complessa) un gran numero di fenomeni: oltre alla riflessione ed alla rifrazione Huygens riuscì infatti a spiegare anche il fenomeno della birifrangenza nei cristalli di calcite. Nel 1801 Thomas Young dimostrò come i fenomeni della diffrazione (osservato per la prima volta Francesco Maria Grimaldi nel 1665) e dell'interferenza fosse interamente spiegabile dalla teoria ondulatoria e non lo fosse dalla teoria corpuscolare.
Un problema della teoria ondulatoria era la propagazione rettilinea della luce. Infatti era ben noto che le onde sono capaci di aggirare gli ostacoli mentre č esperienza comune che la luce si propaghi in linea retta (questa proprietĂ era giĂ stata notata da Euclide nel suo Optica). Questa apparente incongruenza può però essere spegata assumendo che la luce abbia una lunghezza d'onda microscopica.
Al contrario della teoria corpuscolare quella ondulatoria prevede che la luce si propagi piů lentamente all'interno di un mezzo che nel vuoto.Teoria elettromagnetica
Proposta da James Clerk Maxwell alla fine del XIX secolo, sostiene che le onde luminose sono elettromagnetiche e non necessitano di un mezzo per la trasmissione, mostra che la luce visibile č una parte dello spettro elettromagnetico.Teoria quantistica (dualitĂ onda-particella)
Inizio a svilupparsi alla fine del XIX secolo e combina assieme le tre teorie precedenti. Nel 1900 Max Planck propose che le onde luminose sono composte di pacchetti di energia detti quanta o fotoni. La luce si comporta quindi sia come un'onda che come una particella.Lunghezze d'onda della luce visibile
La velocitĂ della luce
Formula della velocitĂ della luce
dove λ č la lunghezza d'onda, f č la frequenza, v č la velocitĂ della luce. Se la luce viaggia nel vuoto, allora v = c, quindi
dove c č la velocitĂ della luce. Possiamo esprimere v come
dove n č una costante (l'indice rifrattivo) che č una proprietĂ del materiale attraverso il quale passa la luce.ParticolaritĂ della velocitĂ della luce
Storia della velocitĂ della luce
Ottica
Colori e lunghezze d'onda
Misurazione della luce
Sorgenti di luce
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