Luce -Light

Un prisma triangolare che disperde un raggio di luce bianca. Le lunghezze d'onda più lunghe (rosso) e le lunghezze d'onda più corte (blu) sono separate.

La luce o luce visibile è una radiazione elettromagnetica all'interno della porzione dello spettro elettromagnetico percepita dall'occhio umano . La luce visibile è generalmente definita come avente lunghezze d'onda nell'intervallo di 400–700 nanometri (nm), corrispondenti a frequenze di 750–420 terahertz , tra l' infrarosso (con lunghezze d'onda più lunghe) e l' ultravioletto (con lunghezze d'onda più brevi).

In fisica , il termine "luce" può riferirsi in modo più ampio alla radiazione elettromagnetica di qualsiasi lunghezza d'onda, visibile o meno. In questo senso sono luce anche i raggi gamma, i raggi X , le microonde e le onde radio . Le proprietà primarie della luce sono l' intensità , la direzione di propagazione, lo spettro di frequenza o lunghezza d'onda e la polarizzazione . La sua velocità nel vuoto , 299 792 458 metri al secondo (m/s), è una delle costanti fondamentali della natura. Come tutti i tipi di radiazione elettromagnetica, la luce visibile si propaga tramite particelle elementari prive di massa chiamate fotoni che rappresentano i quanti del campo elettromagnetico e possono essere analizzate sia come onde che come particelle . Lo studio della luce, noto come ottica , è un'importante area di ricerca nella fisica moderna .

La principale fonte di luce naturale sulla Terra è il Sole . Storicamente, un'altra importante fonte di luce per l'uomo è stato il fuoco , dagli antichi falò alle moderne lampade a cherosene . Con lo sviluppo delle luci elettriche e dei sistemi di alimentazione , l'illuminazione elettrica ha effettivamente sostituito la luce del fuoco.

Spettro elettromagnetico e luce visibile

Lo spettro elettromagnetico , con la parte visibile evidenziata

Generalmente, la radiazione elettromagnetica (EMR) è classificata per lunghezza d'onda in onde radio , microonde , infrarossi , lo spettro visibile che percepiamo come luce, ultravioletto , raggi X e raggi gamma . La denominazione " radiazione " esclude i campi elettrici statici , magnetici e vicini .

Il comportamento dell'EMR dipende dalla sua lunghezza d'onda. Le frequenze più alte hanno lunghezze d'onda più corte e le frequenze più basse hanno lunghezze d'onda più lunghe. Quando l'EMR interagisce con singoli atomi e molecole, il suo comportamento dipende dalla quantità di energia per quanto trasporta.

L'EMR nella regione della luce visibile è costituito da quanti (chiamati fotoni ) che si trovano all'estremità inferiore delle energie che sono in grado di causare eccitazione elettronica all'interno delle molecole, che porta a cambiamenti nel legame o nella chimica della molecola. All'estremità inferiore dello spettro della luce visibile, l'EMR diventa invisibile all'uomo (infrarosso) perché i suoi fotoni non hanno più energia individuale sufficiente per causare un cambiamento molecolare duraturo (un cambiamento di conformazione) nella molecola visiva retinica nella retina umana, che il cambiamento innesca la sensazione della vista.

Esistono animali che sono sensibili a vari tipi di infrarossi, ma non per mezzo dell'assorbimento quantistico. Il rilevamento a infrarossi nei serpenti dipende da una sorta di termografia naturale , in cui minuscoli pacchetti di acqua cellulare vengono aumentati di temperatura dalla radiazione infrarossa. L'EMR in questo intervallo provoca vibrazioni molecolari ed effetti di riscaldamento, che è il modo in cui questi animali lo rilevano.

Al di sopra della gamma della luce visibile, la luce ultravioletta diventa invisibile all'uomo, principalmente perché viene assorbita dalla cornea al di sotto di 360 nm e dalla lente interna al di sotto di 400 nm. Inoltre, i bastoncelli e i coni situati nella retina dell'occhio umano non sono in grado di rilevare le lunghezze d'onda ultraviolette molto corte (inferiori a 360 nm) e sono infatti danneggiate dall'ultravioletto. Molti animali con occhi che non richiedono lenti (come insetti e gamberetti) sono in grado di rilevare l'ultravioletto, mediante meccanismi quantistici di assorbimento dei fotoni, più o meno allo stesso modo chimico in cui gli esseri umani rilevano la luce visibile.

Varie sorgenti definiscono la luce visibile da un minimo di 420–680 nm a un massimo di 380–800 nm. In condizioni di laboratorio ideali, le persone possono vedere l'infrarosso fino ad almeno 1.050 nm; bambini e giovani adulti possono percepire lunghezze d'onda ultraviolette fino a circa 310–313 nm.

La crescita delle piante è influenzata anche dallo spettro cromatico della luce, un processo noto come fotomorfogenesi .

spettro visibile lineare.svg

Velocità della luce

Fascio di luce solare all'interno della cavità della Rocca ill'Abissu a Fondachelli-Fantina , Sicilia

La velocità della luce nel vuoto è definita esattamente 299 792 458  m/s (circa 186.282 miglia al secondo). Il valore fisso della velocità della luce in unità SI risulta dal fatto che il misuratore è ora definito in termini di velocità della luce. Tutte le forme di radiazione elettromagnetica si muovono esattamente alla stessa velocità nel vuoto.

Diversi fisici hanno tentato di misurare la velocità della luce nel corso della storia. Galileo tentò di misurare la velocità della luce nel XVII secolo. Uno dei primi esperimenti per misurare la velocità della luce fu condotto da Ole Rømer , un fisico danese, nel 1676. Usando un telescopio , Rømer osservò i movimenti di Giove e di una delle sue lune , Io . Notando le discrepanze nel periodo apparente dell'orbita di Io, ha calcolato che la luce impiega circa 22 minuti per attraversare il diametro dell'orbita terrestre. Tuttavia, la sua dimensione non era nota a quel tempo. Se Rømer avesse conosciuto il diametro dell'orbita terrestre, avrebbe calcolato una velocità di 227 000 000 m/s.

Un'altra misurazione più accurata della velocità della luce fu eseguita in Europa da Hippolyte Fizeau nel 1849. Fizeau diresse un raggio di luce verso uno specchio a diversi chilometri di distanza. Una ruota dentata rotante è stata posizionata nel percorso del raggio di luce mentre viaggiava dalla sorgente allo specchio e poi tornava alla sua origine. Fizeau ha scoperto che a una certa velocità di rotazione, il raggio sarebbe passato attraverso uno spazio vuoto nella ruota all'uscita e il successivo spazio vuoto sulla via del ritorno. Conoscendo la distanza dallo specchio, il numero di denti sulla ruota e la velocità di rotazione, Fizeau è stato in grado di calcolare la velocità della luce come 313 000 000 m/s.

Léon Foucault ha effettuato un esperimento che ha utilizzato specchi rotanti per ottenere un valore di 298 000 000 m/s nel 1862. Albert A. Michelson ha condotto esperimenti sulla velocità della luce dal 1877 fino alla sua morte nel 1931. Ha perfezionato i metodi di Foucault nel 1926 utilizzando specchi rotanti migliorati per misurare il tempo impiegato dalla luce per fare un viaggio di andata e ritorno dal Monte Wilson al Monte San Antonio in California. Le misurazioni precise hanno prodotto una velocità di 299 796 000 m/s.

La velocità effettiva della luce in varie sostanze trasparenti contenenti materia ordinaria , è inferiore a quella del vuoto. Ad esempio, la velocità della luce nell'acqua è circa 3/4 di quella nel vuoto.

Si dice che due team indipendenti di fisici abbiano portato la luce a un "arresto completo" facendola passare attraverso un condensato di Bose-Einstein dell'elemento rubidio , un team all'Università di Harvard e al Rowland Institute for Science di Cambridge, Massachusetts e l'altro al Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics , sempre a Cambridge. Tuttavia, la descrizione popolare della luce "fermata" in questi esperimenti si riferisce solo alla luce che viene immagazzinata negli stati eccitati degli atomi, quindi riemessa in un momento successivo arbitrario, stimolata da un secondo impulso laser. Durante il tempo in cui si era "fermato" aveva cessato di essere leggero.

Ottica

Lo studio della luce e l'interazione tra luce e materia è chiamato ottica . L'osservazione e lo studio di fenomeni ottici come gli arcobaleni e l' aurora boreale offrono molti indizi sulla natura della luce.

Rifrazione

A causa della rifrazione, la cannuccia immersa nell'acqua appare piegata e la scala del righello compressa se vista da un angolo basso.

La rifrazione è la curvatura dei raggi luminosi quando passano attraverso una superficie tra un materiale trasparente e l'altro. È descritto dalla legge di Snell :

dove θ 1 è l'angolo tra il raggio e la normale alla superficie nel primo mezzo, θ 2 è l'angolo tra il raggio e la normale alla superficie nel secondo mezzo e n 1 e n 2 sono gli indici di rifrazione , n = 1 in un vuoto e n > 1 in una sostanza trasparente .

Quando un raggio di luce attraversa il confine tra un vuoto e un altro mezzo, o tra due diversi mezzi, la lunghezza d'onda della luce cambia, ma la frequenza rimane costante. Se il raggio di luce non è ortogonale (o piuttosto normale) al confine, la variazione della lunghezza d'onda determina un cambiamento nella direzione del raggio. Questo cambio di direzione è noto come rifrazione .

La qualità di rifrazione delle lenti viene spesso utilizzata per manipolare la luce al fine di modificare la dimensione apparente delle immagini. Lenti d' ingrandimento , occhiali , lenti a contatto , microscopi e telescopi rifrattori sono tutti esempi di questa manipolazione.

Sorgenti di luce

Ci sono molte fonti di luce. Un corpo a una data temperatura emette uno spettro caratteristico di radiazione di corpo nero. Una semplice fonte termica è la luce solare, la radiazione emessa dalla cromosfera del Sole con picchi di circa 6.000 kelvin (5.730 gradi Celsius; 10.340 gradi Fahrenheit) nella regione visibile dello spettro elettromagnetico quando tracciata in unità di lunghezza d'onda e circa il 44% dell'energia solare che arriva a terra è visibile. Un altro esempio sono le lampadine a incandescenza , che emettono solo il 10% circa della loro energia come luce visibile e il resto come infrarossi. Una comune sorgente di luce termica nella storia sono le particelle solide incandescenti nelle fiamme , ma queste emettono anche la maggior parte della loro radiazione nell'infrarosso e solo una frazione nello spettro visibile.

Il picco dello spettro del corpo nero è nell'infrarosso profondo, a una lunghezza d'onda di circa 10 micrometri , per oggetti relativamente freddi come gli esseri umani. All'aumentare della temperatura, il picco si sposta su lunghezze d'onda più corte, producendo prima un bagliore rosso, poi uno bianco e infine un colore blu-bianco mentre il picco si sposta fuori dalla parte visibile dello spettro e nell'ultravioletto. Questi colori possono essere visti quando il metallo viene riscaldato a "rovente" o "bianco caldo". L' emissione termica bianco-blu non si vede spesso, tranne che nelle stelle (il colore blu puro comunemente visto in una fiamma di gas o nella torcia di un saldatore è infatti dovuto all'emissione molecolare, in particolare dai radicali CH (che emettono una banda di lunghezza d'onda intorno a 425 nm e non si vede nelle stelle o nella pura radiazione termica).

Gli atomi emettono e assorbono luce a energie caratteristiche. Questo produce " linee di emissione " nello spettro di ciascun atomo. L' emissione può essere spontanea , come nei diodi emettitori di luce , nelle lampade a scarica di gas (come lampade al neon e insegne al neon , lampade ai vapori di mercurio , ecc.) e nelle fiamme (luce del gas caldo stesso, così, ad esempio, il sodio in un la fiamma del gas emette una caratteristica luce gialla). L'emissione può anche essere stimolata , come in un laser o in un maser a microonde .

La decelerazione di una particella carica libera, come un elettrone , può produrre radiazioni visibili: la radiazione di ciclotrone , la radiazione di sincrotrone e la radiazione di bremsstrahlung ne sono tutti esempi. Le particelle che si muovono attraverso un mezzo più veloce della velocità della luce in quel mezzo possono produrre radiazioni Cherenkov visibili . Alcune sostanze chimiche producono radiazioni visibili per chemioluminescenza . Negli esseri viventi, questo processo è chiamato bioluminescenza . Ad esempio, le lucciole producono luce in questo modo e le barche che si muovono nell'acqua possono disturbare il plancton che produce una scia luminosa.

Alcune sostanze producono luce quando sono illuminate da radiazioni più energetiche, un processo noto come fluorescenza . Alcune sostanze emettono luce lentamente dopo essere eccitate da radiazioni più energetiche. Questo è noto come fosforescenza . I materiali fosforescenti possono anche essere eccitati bombardandoli con particelle subatomiche. La catodoluminescenza è un esempio. Questo meccanismo è utilizzato nei televisori a tubo catodico e nei monitor dei computer .

Hong Kong illuminata da luci artificiali colorate .

Alcuni altri meccanismi possono produrre luce:

Quando il concetto di luce intende includere fotoni ad altissima energia (raggi gamma), meccanismi di generazione aggiuntivi includono:

Misurazione

La luce viene misurata con due principali insiemi alternativi di unità: la radiometria consiste in misurazioni della potenza luminosa a tutte le lunghezze d'onda, mentre la fotometria misura la luce con lunghezza d'onda ponderata rispetto a un modello standardizzato di percezione della luminosità umana. La fotometria è utile, ad esempio, per quantificare l' Illuminazione (illuminazione) destinata all'uso umano.

Le unità di fotometria sono diverse dalla maggior parte dei sistemi di unità fisiche in quanto tengono conto di come l'occhio umano risponde alla luce. Le cellule coniche nell'occhio umano sono di tre tipi che rispondono in modo diverso attraverso lo spettro visibile e la risposta cumulativa raggiunge picchi a una lunghezza d'onda di circa 555 nm. Pertanto, due sorgenti luminose che producono la stessa intensità (W/m 2 ) di luce visibile non appaiono necessariamente ugualmente luminose. Le unità di fotometria sono progettate per tenerne conto e quindi rappresentano una migliore rappresentazione di quanto "luminosa" sembra essere una luce rispetto all'intensità grezza. Si riferiscono alla potenza grezza di una quantità chiamata efficienza luminosa e sono utilizzati per scopi come determinare come ottenere al meglio un'illuminazione sufficiente per vari compiti in ambienti interni ed esterni. L'illuminazione misurata da un sensore a fotocellule non corrisponde necessariamente a quanto percepito dall'occhio umano e senza filtri che possono essere costosi, fotocellule e dispositivi ad accoppiamento di carica (CCD) tendono a rispondere ad alcuni infrarossi , ultravioletti o entrambi.

Leggera pressione

La luce esercita una pressione fisica sugli oggetti sul suo cammino, un fenomeno che può essere dedotto dalle equazioni di Maxwell, ma può essere più facilmente spiegato dalla natura particellare della luce: i fotoni colpiscono e trasferiscono la loro quantità di moto. La pressione della luce è uguale alla potenza del raggio di luce divisa per c , la velocità della luce.  A causa della grandezza di c , l'effetto della leggera pressione è trascurabile per gli oggetti di uso quotidiano.  Ad esempio, un puntatore laser da un milliwatt esercita una forza di circa 3,3 piconewton sull'oggetto illuminato; quindi, si potrebbe sollevare un centesimo americano con puntatori laser, ma per farlo sarebbero necessari circa 30 miliardi di puntatori laser da 1 mW.  Tuttavia, nelle applicazioni su scala nanometrica come i sistemi nanoelettromeccanici (NEMS), l'effetto della pressione della luce è più significativo e lo sfruttamento della pressione della luce per azionare i meccanismi NEMS e per attivare interruttori fisici su scala nanometrica nei circuiti integrati è un'area attiva di ricerca. A scale più grandi, una leggera pressione può far girare più velocemente gli asteroidi , agendo sulle loro forme irregolari come sulle palette di un mulino a vento .  È allo studio anche la possibilità di realizzare vele solari che accelerino le astronavi nello spazio.

Sebbene il movimento del radiometro di Crookes fosse originariamente attribuito a una leggera pressione, questa interpretazione non è corretta; la caratteristica rotazione di Crookes è il risultato di un vuoto parziale. Questo non deve essere confuso con il radiometro Nichols , in cui il (leggero) movimento causato dalla coppia (sebbene non sufficiente per la rotazione completa contro l'attrito) è direttamente causato dalla leggera pressione. Come conseguenza della leggera pressione, Einstein nel 1909 predisse l'esistenza di un "attrito radiante" che si sarebbe opposto al movimento della materia. Ha scritto: "la radiazione eserciterà pressione su entrambi i lati della lastra. Le forze di pressione esercitate sui due lati sono uguali se la lastra è a riposo. Tuttavia, se è in movimento, sulla superficie si rifletterà più radiazione che è in avanti durante il movimento (superficie anteriore) che sulla superficie posteriore. La forza di pressione all'indietro esercitata sulla superficie anteriore è quindi maggiore della forza di pressione agente sul retro. Quindi, come risultante delle due forze, rimane una forza che contrasta il movimento della piastra e che aumenta con la velocità della piastra. Chiameremo questo risultante 'attrito di radiazione' in breve."

Di solito la quantità di moto leggera è allineata con la sua direzione di movimento. Tuttavia, ad esempio, nelle onde evanescenti la quantità di moto è trasversale alla direzione di propagazione.

Teorie storiche sulla luce, in ordine cronologico

Grecia classica ed ellenismo

Nel V secolo aC Empedocle postulava che tutto fosse composto da quattro elementi ; fuoco, aria, terra e acqua. Credeva che Afrodite creasse l'occhio umano dai quattro elementi e che accendesse il fuoco nell'occhio che brillava dall'occhio rendendo possibile la vista. Se questo fosse vero, allora si potrebbe vedere sia di notte che di giorno, quindi Empedocle postulò un'interazione tra i raggi degli occhi e i raggi di una fonte come il sole.

Intorno al 300 aC, Euclide scrisse Optica , in cui studiò le proprietà della luce. Euclide postulò che la luce viaggiasse in linea retta e descrisse le leggi della riflessione e le studiò matematicamente. Ha messo in dubbio che la vista è il risultato di un raggio dell'occhio, perché chiede come si vedono immediatamente le stelle, se si chiudono gli occhi, poi li si apre di notte. Se il raggio dell'occhio viaggia infinitamente veloce questo non è un problema.

Nel 55 a.C., Lucrezio , un romano che portò avanti le idee dei primi atomisti greci , scrisse che "La luce e il calore del sole; questi sono composti da atomi minuti che, quando vengono spinti via, non perdono tempo a sparare attraverso l'intercapedine d'aria nella direzione impartita dalla spinta." (da Sulla natura dell'Universo ). Nonostante fossero simili alle successive teorie delle particelle, le opinioni di Lucrezio non furono generalmente accettate. Tolomeo (c. II secolo) scrisse della rifrazione della luce nel suo libro Ottica .

India classica

Nell'antica India , le scuole indù di Samkhya e Vaisheshika , intorno ai primi secoli d.C. svilupparono teorie sulla luce. Secondo la scuola Samkhya, la luce è uno dei cinque elementi "sottili" fondamentali ( tanmatra ) da cui emergono gli elementi grossolani. L' atomicità di questi elementi non è menzionata in modo specifico e sembra che siano stati effettivamente considerati continui. D'altra parte, la scuola Vaisheshika fornisce una teoria atomica del mondo fisico sul terreno non atomico dell'etere , dello spazio e del tempo. (Vedi atomismo indiano .) Gli atomi di base sono quelli di terra ( prthivi ), acqua ( pani ), fuoco ( agni ) e aria ( vayu ). I raggi luminosi sono considerati un flusso di atomi di tejas (fuoco) ad alta velocità. Le particelle di luce possono presentare caratteristiche diverse a seconda della velocità e della disposizione degli atomi di tejas . Il Vishnu Purana si riferisce alla luce solare come "i sette raggi del sole".

I buddisti indiani , come Dignaga nel V secolo e Dharmakirti nel settimo secolo, svilupparono un tipo di atomismo che è una filosofia secondo cui la realtà è composta da entità atomiche che sono lampi momentanei di luce o energia. Consideravano la luce come un'entità atomica equivalente all'energia.

Cartesio

René Descartes (1596–1650) riteneva che la luce fosse una proprietà meccanica del corpo luminoso, rifiutando le "forme" di Ibn al-Haytham e Witelo così come le "specie" di Bacon , Grosseteste e Keplero . Nel 1637 pubblicò una teoria della rifrazione della luce che presumeva, erroneamente, che la luce viaggiasse più velocemente in un mezzo più denso che in un mezzo meno denso. Descartes giunse a questa conclusione per analogia con il comportamento delle onde sonore. Sebbene Cartesio avesse torto sulle velocità relative, aveva ragione nell'assumere che la luce si comportasse come un'onda e nel concludere che la rifrazione potesse essere spiegata dalla velocità della luce in diversi mezzi.

Cartesio non è il primo a usare le analogie meccaniche, ma poiché afferma chiaramente che la luce è solo una proprietà meccanica del corpo luminoso e del mezzo trasmittente, la teoria della luce di Cartesio è considerata l'inizio della moderna ottica fisica.

Teoria delle particelle

Pierre Gassendi (1592–1655), un atomista, propose una teoria delle particelle della luce che fu pubblicata postuma negli anni '60 del Seicento. Isaac Newton studiò il lavoro di Gassendi in tenera età e preferì il suo punto di vista alla teoria del plenum di Cartesio . Nella sua Hypothesis of Light del 1675 affermò che la luce era composta da corpuscoli (particelle di materia) che erano emessi in tutte le direzioni da una sorgente. Uno degli argomenti di Newton contro la natura ondulatoria della luce era che le onde erano note per piegarsi attorno agli ostacoli, mentre la luce viaggiava solo in linea retta. Spiegò, tuttavia, il fenomeno della diffrazione della luce (che era stato osservato da Francesco Grimaldi ) consentendo che una particella di luce potesse creare un'onda localizzata nell'etere .

La teoria di Newton potrebbe essere utilizzata per prevedere la riflessione della luce, ma potrebbe spiegare la rifrazione solo supponendo erroneamente che la luce abbia accelerato entrando in un mezzo più denso perché l' attrazione gravitazionale era maggiore. Newton pubblicò la versione finale della sua teoria nei suoi Opticks del 1704. La sua reputazione aiutò la teoria delle particelle della luce a dominare durante il 18° secolo. La teoria delle particelle di luce ha portato Laplace a sostenere che un corpo potrebbe essere così massiccio che la luce non potrebbe sfuggirgli. In altre parole, diventerebbe quello che oggi viene chiamato un buco nero . Laplace ha ritirato il suo suggerimento in seguito, dopo che una teoria ondulatoria della luce si è affermata saldamente come modello per la luce (come è stato spiegato, né una teoria delle particelle né delle onde è completamente corretta). Una traduzione del saggio di Newton sulla luce appare in The large scale structure of space-time , di Stephen Hawking e George FR Ellis .

Il fatto che la luce potesse essere polarizzata fu per la prima volta spiegato qualitativamente da Newton usando la teoria delle particelle. Étienne-Louis Malus nel 1810 creò una teoria matematica della polarizzazione delle particelle. Jean-Baptiste Biot nel 1812 dimostrò che questa teoria spiegava tutti i fenomeni conosciuti di polarizzazione della luce. A quel tempo la polarizzazione era considerata la prova della teoria delle particelle.

Teoria delle onde

Per spiegare l'origine dei colori , Robert Hooke (1635–1703) sviluppò una "teoria degli impulsi" e confrontò la diffusione della luce con quella delle onde nell'acqua nella sua opera del 1665 Micrographia ("Osservazione IX"). Nel 1672 Hooke suggerì che le vibrazioni della luce potessero essere perpendicolari alla direzione di propagazione. Christiaan Huygens (1629–1695) elaborò una teoria matematica delle onde della luce nel 1678 e la pubblicò nel suo Trattato sulla luce nel 1690. Propose che la luce fosse emessa in tutte le direzioni come una serie di onde in un mezzo chiamato etere luminifero . Poiché le onde non sono influenzate dalla gravità, si presumeva che rallentassero entrando in un mezzo più denso.

Schizzo di Thomas Young di un esperimento a doppia fenditura che mostra la diffrazione . Gli esperimenti di Young hanno supportato la teoria secondo cui la luce è composta da onde.

La teoria delle onde prevedeva che le onde luminose potessero interferire tra loro come le onde sonore (come notato intorno al 1800 da Thomas Young ). Young ha mostrato per mezzo di un esperimento di diffrazione che la luce si comporta come onde. Ha anche proposto che colori diversi fossero causati da diverse lunghezze d'onda della luce e ha spiegato la visione dei colori in termini di recettori a tre colori nell'occhio. Un altro sostenitore della teoria delle onde fu Leonhard Euler . Ha sostenuto in Nova theoria lucis et colorum (1746) che la diffrazione potrebbe essere più facilmente spiegata da una teoria delle onde. Nel 1816 André-Marie Ampère diede ad Augustin-Jean Fresnel un'idea che la polarizzazione della luce può essere spiegata dalla teoria delle onde se la luce fosse un'onda trasversale .

Successivamente, Fresnel elaborò in modo indipendente la propria teoria ondulatoria della luce e la presentò all'Académie des Sciences nel 1817. Siméon Denis Poisson si aggiunse al lavoro matematico di Fresnel per produrre un argomento convincente a favore della teoria ondulatoria, contribuendo a ribaltare la teoria corpuscolare di Newton. Entro l'anno 1821, Fresnel fu in grado di dimostrare tramite metodi matematici che la polarizzazione potrebbe essere spiegata dalla teoria ondulatoria della luce se e solo se la luce fosse interamente trasversale, senza alcuna vibrazione longitudinale.

Il punto debole della teoria delle onde era che le onde luminose, come le onde sonore, avrebbero bisogno di un mezzo per la trasmissione. L'esistenza dell'ipotetica sostanza etere luminifero proposta da Huygens nel 1678 fu messa in forte dubbio alla fine del diciannovesimo secolo dall'esperimento di Michelson-Morley .

La teoria corpuscolare di Newton implicava che la luce viaggerebbe più velocemente in un mezzo più denso, mentre la teoria ondulatoria di Huygens e altri implicava il contrario. A quel tempo, la velocità della luce non poteva essere misurata sufficientemente accuratamente per decidere quale teoria fosse corretta. Il primo a effettuare una misurazione sufficientemente accurata fu Léon Foucault , nel 1850. Il suo risultato supportava la teoria ondulatoria e la teoria classica delle particelle fu infine abbandonata, per poi riemergere in parte nel XX secolo.

Teoria elettromagnetica

Un'onda elettromagnetica polarizzata linearmente che va nell'asse x, con E che indica il campo elettrico e B perpendicolare che indica il campo magnetico

Nel 1845 Michael Faraday scoprì che il piano di polarizzazione della luce polarizzata linearmente viene ruotato quando i raggi luminosi viaggiano lungo la direzione del campo magnetico in presenza di un dielettrico trasparente , un effetto ora noto come rotazione di Faraday . Questa è stata la prima prova che la luce era correlata all'elettromagnetismo . Nel 1846 ipotizzò che la luce potesse essere una qualche forma di disturbo che si propaga lungo le linee del campo magnetico. Faraday propose nel 1847 che la luce fosse una vibrazione elettromagnetica ad alta frequenza, che poteva propagarsi anche in assenza di un mezzo come l'etere.

Il lavoro di Faraday ha ispirato James Clerk Maxwell a studiare la radiazione elettromagnetica e la luce. Maxwell scoprì che le onde elettromagnetiche autopropaganti avrebbero viaggiato attraverso lo spazio a una velocità costante, che era uguale alla velocità della luce precedentemente misurata. Da ciò Maxwell concluse che la luce era una forma di radiazione elettromagnetica: affermò per la prima volta questo risultato nel 1862 in On Physical Lines of Force . Nel 1873 pubblicò A Treatise on Electricity and Magnetism , che conteneva una descrizione matematica completa del comportamento dei campi elettrici e magnetici, ancora noti come equazioni di Maxwell . Subito dopo, Heinrich Hertz confermò sperimentalmente la teoria di Maxwell generando e rilevando onde radio in laboratorio e dimostrando che queste onde si comportavano esattamente come la luce visibile, esibendo proprietà come riflessione, rifrazione, diffrazione e interferenza . La teoria di Maxwell e gli esperimenti di Hertz hanno portato direttamente allo sviluppo di moderne radio, radar, televisione, immagini elettromagnetiche e comunicazioni wireless.

Nella teoria quantistica, i fotoni sono visti come pacchetti d'onda delle onde descritte nella teoria classica di Maxwell. La teoria quantistica era necessaria per spiegare effetti anche con la luce visiva che la teoria classica di Maxwell non poteva (come le righe spettrali ).

Teoria dei quanti

Nel 1900 Max Planck , tentando di spiegare la radiazione del corpo nero , suggerì che sebbene la luce fosse un'onda, queste onde potevano guadagnare o perdere energia solo in quantità finite in relazione alla loro frequenza. Planck chiamò questi "grumi" di energia luminosa " quanta " (da una parola latina per "quanto"). Nel 1905 Albert Einstein utilizzò l'idea dei quanti di luce per spiegare l' effetto fotoelettrico e suggerì che questi quanti di luce avessero un'esistenza "reale". Nel 1923 Arthur Holly Compton dimostrò che lo spostamento della lunghezza d'onda osservato quando i raggi X a bassa intensità diffusi dagli elettroni (il cosiddetto scattering Compton ) poteva essere spiegato da una teoria delle particelle dei raggi X, ma non da una teoria ondulatoria. Nel 1926 Gilbert N. Lewis chiamò queste particelle di quanti di luce fotoni .

Alla fine la moderna teoria della meccanica quantistica è arrivata a rappresentare la luce come (in un certo senso) sia una particella che un'onda e (in un altro senso), come un fenomeno che non è una particella né un'onda (che in realtà sono fenomeni macroscopici, come palle da baseball o onde dell'oceano). Invece, la fisica moderna vede la luce come qualcosa che può essere descritto a volte con la matematica appropriata a un tipo di metafora macroscopica (particelle) ea volte un'altra metafora macroscopica (onde d'acqua), ma in realtà è qualcosa che non può essere completamente immaginato. Come nel caso delle onde radio e dei raggi X coinvolti nello scattering Compton, i fisici hanno notato che la radiazione elettromagnetica tende a comportarsi più come un'onda classica a frequenze più basse, ma più come una particella classica a frequenze più alte, ma non perde mai del tutto qualità dell'uno o dell'altro. La luce visibile, che occupa una via di mezzo in frequenza, può essere facilmente dimostrata negli esperimenti come descrivibile utilizzando un modello d'onda o di particelle, o talvolta entrambi.

Nel febbraio 2018, gli scienziati hanno segnalato, per la prima volta, la scoperta di una nuova forma di luce, che potrebbe coinvolgere i polaritoni , che potrebbe essere utile nello sviluppo di computer quantistici .

Utilizzare per la luce sulla Terra

La luce solare fornisce l' energia che le piante verdi usano per creare zuccheri principalmente sotto forma di amidi , che rilasciano energia negli esseri viventi che li digeriscono. Questo processo di fotosintesi fornisce praticamente tutta l'energia utilizzata dagli esseri viventi. Alcune specie di animali generano la propria luce, un processo chiamato bioluminescenza . Ad esempio, le lucciole usano la luce per localizzare i compagni e i calamari vampiri la usano per nascondersi dalle prede.

Guarda anche

Appunti

Riferimenti

link esterno

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  • La definizione del dizionario di luce su Wikizionario
  • Citazioni relative alla luce su Wikiquote