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  • 1. La Natura Fisica della Luce: dai corpuscoli alle onde e oltre Germano DAbramo (INAF-IASF)
  • 2. Domanda: Ma perché una lezione sulla NaturaFisica della Luce in uno Stage di Astrofisica?Risposta: Se ci pensate bene, è solo grazie alla luce chenoi sappiamo dellesistenza e conosciamo lecaratteristiche di tutti gli oggetti astronomici (pianeti,stelle, galassie, etc).
  • 3. La Luce: Cosè? Di cosa è fatta?A partire dalla fine del XVI secolo si diffuse presso gli studiosi di Filosofia Naturale, laprogenitrice delle scienze fisiche, un forte interesse per la natura fisica della luce.Le prime considerazioni sulla sua natura scaturivano da osservazioni comuni, quotidiane: La luce sembra avere origine da sorgenti (Sole, candele, torce, etc.). Si propaga in linea retta (oggetti illuminati proiettano ombre nette). E esperienza comune che quando un raggio di luce attraversa una stanza si notano“particelle luminose” che fluttuano nellaria (oggi sappiamo che sono particelle di polvereilluminate dalla luce, ma allora....). Se un raggio di luce è riflesso da uno specchio, langolo di riflessione è sempre ugualeallangolo di incidenza (langolo di riflessione e langolo di incidenza sono misurati apartire dalla perpendicolare allo specchio).
  • 4. Modello corpuscolare della luceNellesperienza comune dellepoca, lunico esempio di qualcosa che sipropagasse in linea retta era quello di oggetti materiali (pietre, frecce,etc) dotati di velocità elevata.Da qui lidea che la luce fosse composta da corpuscoli materiali (tantopiccoli da non essere distinguibili ad occhio nudo) che si muovono nellospazio ad alta velocità (onde “attenuare” leffetto della gravità terrestreche tenderebbe a incurvare le loro traiettorie).Questo è il: Modello corpuscolare della luce (seconda metà del 1600) Isaac NewtonTra i propositori e sostenitori ci furono il filosofo Pierre Gassendi elillustre fisico inglese Isaac Netwon. Tuttavia, le prime idee sulla naturacorpuscolare della luce risalgono al filosofo greco Lucrezio (55 B.C.) eprobabilmente anche a pensatori precedenti.
  • 5. Il modello corpuscolare alla prova (I)Nella scienza post-galileiana un modello fisico-matematico di un fenomeno naturalenasce tipicamente da osservazioni quotidiane e disorganiche del fenomeno stesso. Ilmodello è una sintesi organica e raffinata di tutte le osservazioni che descrivono lecaratteristiche salienti del fenomeno. Un modello fisico accettabile deve quindi: descrivere correttamente e nella forma (matematica) più semplice possibile (rasoio diOccam) i comportamenti già conosciuti del fenomeno fisico studiato; dare la possibilità di prevedere comportamenti non ancora osservati del fenomenofisico allo studio, e indicare come osservarli. Se questi comportamenti non si verificano,il modello è sbagliato/incompleto e va sostituito/corretto.
  • 6. Il modello corpuscolare alla prova (II)Il modello corpuscolare sembra dare unagiustificazione molto chiara e convincentedei comportamenti della luce comunementeosservati (vedi seconda trasparenza). Θi = ΘrIn particolar modo la propagazionerettilinea e la legge di riflessione.Infatti, un corpuscolo materiale lanciato adelevata velocità si comporta come unraggio di luce, si propaga in modo quasirettilineo. Inoltre, una pallina cherimbalza elasticamente su una superficiedura si comporta come un raggio di luceche si riflette in uno specchio.
  • 7. Il modello corpuscolare alla prova (III)Se la luce è composta da corpuscoli che si muovono nello spazio, questi avranno unavelocità, presumibilmente finita (cioè non si propagano istantaneamente da un puntoallaltro dello spazio, come non succede a tutti i corpi materiali conosciuti) everosimilmente alta.I primi tentativi (infruttuosi) di misurare la velocità della luce risalgono già alla primametà del 1600 quando Galileo Galilei tentò di misurare il ritardo tra listante in cui unalanterna veniva scoperta e linstante in cui la luce veniva percepita da un osservatore incima ad una collina poco distante (~1 km). Lunica conclusione che Galileo poté trarrefu che la propagazione della luce è straordinariamente rapida.La prima stima quantitativa delle velocità della luce fu compiuta nel 1676dallastronomo danese Ole Roemer utilizzando una anomalia nella durata delle eclissidei pianeti Medicei, i satelliti di Giove scoperti da Galileo. Egli ottenne un valore dicirca 210.800 km/s, molto vicino al valore attualmente conosciuto con precisione(299.792 km/s).
  • 8. Il modello corpuscolare alla prova (IV)Allepoca, un altro comportamento della luce era bennoto e matematicamente studiato: quello dellarifrazione. La rifrazione consiste in una deviazioneistantanea del percorso luminoso rettilineo quando unraggio di luce attraversa la superficie di separazione traun mezzo poco denso (ad esempio, laria) e un mezzopiù denso (ad esempio, acqua, vetro, olio etc.). Il raggiodi luce, nel passare da un mezzo poco denso a un più Θidenso si avvicina allasse verticale che è perpendicolarealla superficie di separazione dei due mezzi. La leggematematica che descrive questo comportamento sichiama legge di Snell.Il modello corpuscolare spiega questo fenomeno Θraffermando che i corpuscoli, appena si avvicinano allasuperficie di separazione dei due mezzi, vengono attirativerso il basso dal mezzo più denso (vedi figura) e quindideviano come osservato in natura.Previsione fatta dal modello: i corpuscoli luminosiaccelerano nel passaggio nel mezzo più denso, quindila luce è più veloce nei mezzi densi, piuttosto chenellaria.
  • 9. Il modello corpuscolare: prime difficoltà. La DiffrazioneDa tempo era conosciuto un fenomenoluminoso che fu a lungo studiato dalfisico italiano Francesco MariaGrimaldi intorno alla metà del 1600 eche va sotto il nome di diffrazione.Quando un raggio di luce attraversauna fenditura opportunamente stretta oun foro opportunamente piccolo,dallaltra parte del foro o della fendituranon si produce unombra netta ma unasorta di ombra con i contorni diffusi.Il modello corpuscolare di Newtonpoteva spiegare, anche se condifficoltà, questo fenomenoascrivendolo alla deflessione deicorpuscoli di luce da parte dei bordi delforo o della fenditura.
  • 10. Il modello corpuscolare: altre difficoltà. LinterferenzaAnche se altri modelli fisici sulla natura della lucevenivano proposti e diffusi (come vedremo inseguito), il modello corpuscolare sembrò regnareincontrastato per quasi 200 anni, anche se di tanto intanto si incontravano difficoltà nello spiegare alcunicomportamenti della luce appena scoperti.Allinizio del 1800 il fisico e medico inglese ThomasYoung propose e descrisse quello che è ormai notocome lesperimento della doppia fenditura. Quandoun raggio di luce attraversa due strette fenditure,disposte molto vicine fra di loro, dallaltra parte delloschermo si crea un motivo di luci e ombre che siripete in maniera regolare e che invade anche spaziche vanno al di la della semplice ombra geometrica .Il fenomeno si verifica solo quando entrambe lefenditure sono aperte.
  • 11. Il modello corpuscolare: dichiarazione di “morte”Se il modello corpuscolare può ancora spiegare il fenomeno della diffrazione con unadeflessione dei corpuscoli da parte dei bordi delle fenditure/fori, la disposizione regolare diluci e ombre nellinterferenza richiede che i corpuscoli, dopo aver attraversato le fenditure,interagiscano fra di loro in maniera troppo complicata per essere spiegata semplicementedal modello.In linea di principio, tuttavia, il modello corpuscolare potrebbe ancora farcela! Il fenomenodellinterferenza, per quanto minaccioso, potrebbe ancora essere domato dal modellocorpuscolare.Il colpo definitivo al modello corpuscolare arriva con le prime misure di laboratorio dellavelocità della luce nei mezzi materiali (ad opera di Fizeau e Foucault, intorno al 1850).Si scopre che la velocità della luce nei mezzi materiali è minore rispetto alla velocitàdella luce nellaria o nel vuoto.Ma il modello corpuscolare prevedeva esattamente il contrario, ricordate? Il modello corpuscolare è quindi non corretto perché fa previsioni opposte ciò che si osserva sperimentalmente!
  • 12. ...Luci e Onde...Quasi contemporaneamente alla nascita eallaffermazione del modello corpuscolare (secondametà del 1600) i fisici Robert Hooke e ChristiaanHuygens proposero quello che è conosciuto comemodello ondulatorio della luce.Secondo questo modello, la luce si comporta comeunonda. Alcuni esempi di fenomeni fisici che sicomportano come unonda sono: il suono, leincrespature del mare, etc. Ma cosè unonda?Unonda è una perturbazione, una modificazionefisica che si propaga attraverso un mezzo con unavelocità che dipende dalle caratteristiche fisiche diquestultimo.Unonda non trasferisce materia da un punto ad unaltro dello spazio, come avviene lanciando un sasso,ma solo energia.
  • 13. Onde periodicheSe il meccanismo che crea la perturbazione èperiodico (come la spinta che si da a unaltalena)allora le onde prodotte nel mezzo sonoperiodiche. Unonda è periodica quando,fissando un punto del mezzo attraverso cui essasi propaga, la perturbazione si ripete sempre allostesso modo dopo un tempo fissato T, dettoperiodo. Il reciproco del periodo, cioè 1/T, èdetta frequenza (ν) dellonda.Lestensione della perturbazione è dettaampiezza dellonda e la distanza tra due picchi dimassima ampiezza dellonda è detta lunghezzadonda (λ).Inoltre vale: V = λ/Τ = λνV è la velocità di propagazione dellondaperiodica nel mezzo.
  • 14. Il modello ondulatorio alla prova (I): Propagazione rettilineaMa la luce sarebbe unonda di cosa? In quale mezzo si propaga? Lasciamo per ilmomento da parte queste domande. Quello che ci deve interessare è che secondo ilmodello ondulatorio la luce si comporta come unonda. Vediamo se questo modellospiega tutti i comportamenti della luce, anche quelli che hanno decretato la fine delmodello corpuscolare.Sappiano che la luce si propaga in linea retta. Anche unonda si propaga in linea retta.Quando nella piscina con le onde di un Acquapark londa viene generata, essa arriva anoi in direzione rettilinea. Inoltre, quando unonda incontra uno schermo bucato (con ilbuco molto più grande della lunghezza donda) si produce una “ombra” geometricanetta.
  • 15. Il modello ondulatorio alla prova (II). Legge della riflessione
  • 16. Il modello ondulatorio alla prova (III). Legge della rifrazioneNellesempio qui a fianco unondapercorre la superficie di una vascadallalto a sinistra verso il basso adestra. La linea di separazione bluci indica il passaggio da unfondale più profondo a uno menoprofondo. In quel punto ladirezione di propagazionedellonda (indicata dalle frecce)cambia proprio secondo la leggedell rifrazione (legge di Snell).Inoltre il modello ondulatorioprevede una velocità della luceminore nei mezzi più densi.Nellesempio, le onde dacquasono più lente laddove il fondaleè più basso.
  • 17. Il modello ondulatorio alla prova (IV). Diffrazione
  • 18. Il modello ondulatorio alla prova (V). Interferenza
  • 19. Il modello ondulatorio: entra in gioco la fisica dellelettricità e del magnetismoIl modello ondulatorio sembra spiegare in maniera semplice epuntuale tutti i comportamenti della luce fin qui osservati.Quindi, la luce sembra effettivamente comportarsi comeunonda. Ma un onda fatta di cosa? Il suono è un onda dipressione che si propaga nellaria. Le onde del mare sonoperturbazioni della superficie dellacqua.Verso la fine del 1800 i fenomeni elettrici e magnetici,conosciuti sin dallantichità, erano stati studiatiapprofonditamente e si era giunti a una sintesi matematicamolto sofisticata.Nel 1873 il fisico scozzese James Clerk Maxwell pubblica lesue famose equazioni del campo elettromagnetico. Questeequazioni descrivono come si comportano i campi elettrici emagnetici nello spazio: alcune soluzioni di queste equazioniprevedono che le perturbazioni dei campi elettrico (E) emagnetico (B) si propaghino nello spazio come onde, la cuivelocità c si ricava da due costanti fisiche già conosciute.
  • 20. Il modello ondulatorio: le onde elettromagneticheLaspetto veramente sorprendente fu che lavelocità dellonda ricavata dalle equazioni diMaxwell corrispondeva proprio alla velocitàdella luce, il cui valore era già conosciutograzie alle misurazioni di Fizeau e Foucault.I fisici di fine Ottocento ottennero un grandesuccesso: la luce è dunque unonda che sipropaga attraverso il campoelettromagnetico che riempie tutto lo spaziointorno a noi, anche lo spazio vuoto.La sua velocità c è una costante fisica, poichéderiva da altre due costanti fisiche(permeabilità magnetica e permittività elettricadel vuoto). Questo diede anche lo spunto adAlbert Einstein per sviluppare la sua Teoriadella Relatività Speciale.
  • 21. Lo spettro elettromagneticoLo spettro elettromagnetico è lequivalente per la luce delle “analisi del sangue”: ci dice tutto sulle caratteristiche di un onda elettromagnetica e tutto su chi la produce.
  • 22. ...tuttavia unanomalia era in agguato: leffetto fotoelettricoNel 1887 il fisico tedesco Heinrich Hertz scoprì unparticolare tipo di interazione tra luce e materia:leffetto fotoelettrico.Leffetto fotoelettrico consiste nellemissione di elettronida una superficie, solitamente metallica, quando questaviene investita da una radiazione elettromagneticaavente una certa frequenza.Dal modello ondulatorio della luce ci si aspettava cheuna maggiore intensità della luce (che corrisponde aduna maggiore ampiezza dellonda e quindi ad unamaggiore energia) avrebbe portato allemissione dielettroni con una maggiore velocità (maggiore energiacinetica).Invece, nelleffetto fotoelettrico con una luce più intensaaumenta solo il numero degli elettroni emessi, non laloro energia cinetica e velocità.
  • 23. La rivincita dei corpuscoli!Inoltre, si era notato che se la frequenza della luce cheilluminava il metallo era maggiore (vedi spettro),lenergia, e quindi la velocità degli elettroni emessi eramaggiore.Nel 1905 il famoso fisico tedesco Albert Einstein proposeun modello fisico per spiegare questo fenomeno, cherivoluzionò la fisica e segnò in effetti la nascita dellameccanica quantistica.Einstein suppose che la luce fosse costituita da quantitàdiscrete, chiamate fotoni. Essi erano delle vere e proprieparticelle, e quindi la luce tornava ad essere formata dacorpuscoli. Ad ogni fotone Einstein associa una energiapari a E=hν Albert EinsteinDove h è una costante (la costante di Planck) e ν è lafrequenza della luce che si sta considerando.
  • 24. I fotoniIl modello corpuscolare di Einstein spiega con semplicità tutte le caratteristichedelleffetto fotoelettrico.Una luce con frequenza maggiore è fatta di fotoni che hanno singolarmente più energiae quindi gli elettroni vengono espulsi dal metallo a maggiore velocità. Inoltre, una lucepiù intensa ha più fotoni “dentro” e quindi se si aumenta lintensità della luce, aumenta ilnumero di elettroni espulsi (uno per fotone), ma non la loro velocità.Il modello corpuscolare di Einstein è ovviamente molto diverso da quello pensato daNewton.Un primo aspetto curioso è che lenergia di ogni fotone è proporzionale alla frequenzadella luce di cui fa parte. Ma la frequenza non è una grandezza propria di unonda?…E ritornare a una luce fatta di corpuscoli non crea problemi nella spiegazionedella rifrazione, diffrazione e interferenza?
  • 25. Dualismo onda-corpuscoloIl punto è che per alcuni comportamenti (diffrazione, interferenza, etc.) laluce si comporta come unonda, per altri (leffetto fotoelettrico) essa sicomporta come se fosse costituita da corpuscoli.La profonda e sconvolgente acquisizione della Meccanica Quantisticadella prima metà del 1900 è che la luce è contemporaneamente onda ecorpuscolo. In alcuni casi ci conviene trattarla come onda in altricome costituita di corpuscoli.A livello indicativo, quando abbiamo a che fare con basse frequenze(onde radio, microonde, etc) trattiamo la luce matematicamente come Niels Bohrunonda, Quando abbiamo a che fare con alte frequenze (ultravioletto,raggi X e raggi γ) la trattiamo matematicamente come se fosse costituitada corpuscoli.Il principio di complementarità di Niels Bohr afferma che ogniparticella elementare (elettrone, protone, etc.) mostra una duplicenatura, sia corpuscolare che ondulatoria.
  • 26. La diffrazione dellelettrone!
  • 27. Grazie e Buon Proseguimento! Per ulteriori informazioni: germano.dabramo@gmail.com

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