La Luce E I Colori | Prima Parte

"Esperienza. L’ombra proiettata
dalla luce della candela  e illuminata dalla luce naturale del mattino
diviene blu; l’ombra gettata dalla luce del giorno
(ombra che è più debole e per farla sorgere
bisogna allontanarsi dalla luce)
e rischiarata dalla luce della candela diviene rossa.
L’ombra gettata dalla luce della candela,
tenuta molto vicina alla luce, scintilla intorno al verdastro."
(Friedrich Hegel, in Aforismi jenensi)

Immaginiamo di stare a Woolsthorpe, nella contea inglese del Lincolnshire, in casa di   Isaac Newton   (1642 – 1727, secondo il calendario giuliano) uno dei più importanti studiosi di fisica di tutti i tempi. Tra i suoi innumerevoli studi, il grande Isaac si dedicò con successo anche alla luce, scoprendo che quello che il nostro occhio percepisce come luce bianca è in realtà una somma di colori.

Eseguì diversi esperimenti per provare questa affermazione, il più celebre dei quali è quello in cui un fascio di luce solare (bianca) viene fatta passare attraverso un prisma di vetro, ovvero attraverso un poliedro  le cui facce opposte non sono parallele. Il prisma provoca il cambiamento della direzione di propagazione del raggio luminoso, ma tale deviazione è diversa per ciascuno dei colori che compongono la luce bianca. In tal modo, i colori presenti nel raggio di luce solare sono indirizzati in punti diversi dello schermo collettore, consentendo di distinguerli l’uno dall’altro.
Newton riuscì anche a realizzare l’esperimento inverso: componendo i colori dell’arcobaleno, ottenne la luce bianca.

Nei primi scritti sull’argomento, risalenti al 1666, Newton si riferì a 5 colori: azzurro, verde, giallo e rosso.
Negli scritti successivi, risalenti al 1672, riferì di aver individuato altri due colori: indaco e arancione.
L’arcobaleno acquistò definitivamente l’attuale assetto cromatico settenario. Nell’arcobaleno non ci sono divisioni nette tra i colori: si passa dal violetto al rosso con un susseguirsi continuo di sfumature. Quanti colori si possono individuare tra le sfumature è una questione soggettiva e dipende dagli occhi dell’osservatore. Per convenzione, siamo soliti dire che sono sette.

Guardate il bellissimo video del Museo Virtuale Galileo sull'esperimento del prisma.

Una scheda con indicazioni su come realizzare un disco di Newton.

Fatta questa premessa, proviamo a saperne di più sulla luce. La trattazione è riferita alla fascia di età dei ragazzi di scuola media e per tale ragione possiede un taglio didattico.

Diverse volte i miei alunni mi hanno chiesto:”Prof., che cos’è la luce?”

Eh cari, è una parola dirlo così su due piedi.

Ho letto in rete, tempo fa, quanto segue:

“La luce è un fenomeno fisico. Per studiare la luce, non c’è bisogno di sapere cos’è (come per il calore, l'elettricità, ecc.). Quello che dobbiamo fare è osservare la realtà per “immaginarci” la luce a modo nostro, ovvero per farci un modello della luce. Tutte le volte che deduciamo una conclusione da questo modello, dobbiamo verificarla con un esperimento nuovo. Se tutte le verifiche hanno successo, possiamo dire che la luce è “molto simile” al modello. Se troviamo anche una sola contraddizione, la luce è diversa da quel che ci siamo immaginati”.

E’ una parola! Dire ai ragazzi che la “luce è un fenomeno fisico e che per studiarlo non c’è bisogno di sapere cos’è” non sarebbe la scelta didatticamente più efficace, perché quando essi fanno una domanda bisogna cercare di comportarsi in modo da non deludere le loro aspettative.

Ci provo, quindi, fermo restando che svolgeremo a tempo debito le nostre osservazioni sperimentali!

In musica, avete parlato delle onde sonore, ne sono certa.

E allora proviamo a rispondere alla domanda: "Prof, cos'è la luce?".

Nell'elettromagnetismo classico, la luce è descritta come un’onda, cioè una perturbazione ripetuta che si propaga, come il suono o le onde del mare. A differenza delle altre onde citate, la perturbazione che costituisce la luce si propaga in linea retta.

Le onde luminose sono onde elettromagnetiche; mostrano la caratteristica di propagarsi anche nel vuoto e, come tutte le onde, sono caratterizzate dai seguenti elementi: ampiezza, velocità, frequenza e lunghezza d’onda.

Per inciso, Newton fece importanti scoperte sulla luce, ritenendola composta da
corpuscoli e non da onde come invece proponeva Christiaan Huygens. La teoria corpuscolare ebbe molto seguito, oltre che per la stima di cui godeva Newton, perché spiegava la maggior parte dei fenomeni osservati. Non riusciva però a giustificare come potessero due raggi luminosi incontrarsi e proseguire il proprio cammino senza scontrarsi.

La spiegazione di questo fenomeno risiede nel principio di sovrapposizione, valido esclusivamente per le onde!

Dalla contrapposizione tra teoria corpuscolare e teoria ondulatoria, scaturirà poi la soluzione proposta nella forma del dualismo onda-particella, all'interno della meccanica quantistica.

La velocità della luce è estremamente elevata, al punto che a lungo c’è stato chi, tra gli scienziati, la credeva infinita!

Adesso sappiamo che tale velocità varia a seconda del materiale che attraversa: più è denso e minore sarà la velocità. Nel vuoto è di circa 300000 km/s ed è la più grande velocità che possa essere raggiunta. Il suo simbolo è c.

Una velocità così grande fa sì che, ai nostri sensi, la propagazione della luce appaia istantanea.
Sembra infatti strano pensare che la luce che stiamo ricevendo in questo momento dal Sole, distante 150 milioni di chilometri da noi, sia partita ben 8 minuti fa, o che la luce che riceviamo dalle stelle, distanti milioni di milioni di chilometri da noi, abbia viaggiato per anni prima di arrivare ai nostri occhi e magari proviene da astri che nemmeno esistono più.

Eppure le cose stanno così: la velocità della luce, per quanto grande, non è infinita, e pertanto occorrono anche molti anni per percorrere le grandissime distanze che ci separano dalle stelle dell’Universo.



Le frequenze della luce visibile variano da 3,2 x 10^14 Hz a 7,5 X 10^14 Hz; le corrispondenti lunghezze d’onda, calcolabili con la relazione

λ = v/f

sono comprese tra 400 nm e 700 nm, dove il simbolo nm indica il nanometro, cioè 10^ - 9 m. Le lunghezze d’onda della luce sono quindi enormemente più piccole di quelle del suono, che variano tra i 17 mm e i 17 m.

Come per il suono, la frequenza corrisponde alla tonalità, cioè all’altezza della nota prodotta, più acuta o più grave, così per la luce la frequenza indica il colore, che tende più verso il rosso o verso il blu – violetto.
La differenza tra le frequenze del suono e della luce che possono essere percepite dagli esseri umani fa sì che questi due fenomeni appaiano molto diversi tra loro.

Il fenomeno che mette in evidenza questa differenza e il suo legame con il diverso intervallo di frequenze percepibili è la diffrazione.

Mi fermo qui. In un prossimo post, parleremo della luce, come onda, e dei colori.



Il post partecipa alla 16° edizione del Carnevale della Fisica, che sarà ospitata da Questione della Decisione il 28 febbraio.

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