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Sezione D
Dall’atomo ai composti inorganici e organici
12
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La doppia natura della luce:
ondulatoria e corpuscolare
Prima di proseguire il nostro discorso sui modelli atomici dobbiamo chiarire
alcuni aspetti del comportamento della luce, uno strumento essenziale per lo
studio della struttura più intima della materia.
Per molto tempo i fisici si sono interrogati sulla reale natura della luce,
proponendo teorie spesso contrastanti. Intorno alla metà del XVII secolo,
Isaac Newton (1643-1727) ipotizzò che la luce fosse un flusso di piccolis-
sime particelle di materia (
modello corpuscolare
); l’olandese Christiaan
Huygens (1629-1695), al contrario, era del parere che la luce si propagasse
come un’onda (
modello ondulatorio
). Nel XIX secolo prevalse la secon-
da ipotesi: il fisico scozzese James C. Maxwell (1831-1879) definì la luce
un’
onda elettromagnetica
, e le sue idee trovarono conferma nel lavoro spe-
rimentale del tedesco Heinrich R. Hertz (1857-1894). Il problema sembrò
trovare così una soluzione definitiva.
5.1
La natura ondulatoria della luce
Per chiarire che cos’è un’onda elettromagnetica è utile partire dalle onde
meccaniche, più vicine all’esperienza di tutti.
Se gettiamo un sasso nell’acqua, vediamo formarsi delle onde che si al-
lontanano dal punto in cui si sono generate. In realtà, questo movimento
orizzontale non interessa l’acqua, che si limita a oscillare verticalmente (per
verificarlo è sufficiente osservare il movimento di qualsiasi oggetto galleg-
giante, che si solleva e poi si abbassa al passare dell’onda, ma non si sposta
orizzontalmente). In questo tipo di onde, quindi, il mezzo materiale oscilla
perpendicolarmente alla direzione di propagazione dell’onda.
D’altra parte, orizzontalmente, ogni porzione della superficie dell’acqua
che è raggiunta e messa in movimento dall’onda acquista energia meccani-
ca. Esistono onde di vari altri tipi, ma ciò che accomuna tutte è il fatto che
trasportano energia.
Un’
onda
è un fenomeno di propagazione dell’energia che non comporta
trasporto di materia.
Anche la luce è un’onda che trasporta energia, ma si distingue dalle onde
meccaniche perché a oscillare non sono particelle di materia, bensì due cam-
pi, uno elettrico e uno magnetico, che variano periodicamente di intensità
su due piani perpendicolari tra loro e alla direzione in cui l’onda si propaga
nello spazio (
14
). La luce non è quindi la perturbazione di un mezzo
materiale ed è per questo motivo che, a differenza delle onde meccaniche,
viaggia anche nel vuoto.
Nonostante questa fondamentale differenza, tutte le onde sono definite
dagli stessi parametri:
la
lunghezza d’onda
k
, ossia la distanza tra due massimi (
creste
) o due
minimi (
ventri
) successivi dell’onda (
15
), che si misura in metri;
la
frequenza
f
, ossia il numero di oscillazioni nell’unità di tempo (
16
),
che si misura in
hertz
(simbolo
Hz
, 1 Hz 1 s
1
);
la
velocità di propagazione
v
, che assume valori diversi a seconda del
tipo di onda e del mezzo in cui si propaga;
l’
ampiezza dell’onda
A
, ossia la distanza tra la cresta dell’onda e l’asse di
propagazione, il cui quadrato,
A
2
, è la misura dell’
intensità
dell’onda.
La frequenza e la lunghezza d’onda sono inversamente proporzionali l’una
all’altra e il loro prodotto corrisponde alla velocità di propagazione dell’on-
un secondo
k
crescente
f
crescente
y
z
x
direzione
di propagazione
campo elettrico
campo magnetico
Figura 14
Rappresentazione di un’onda elettromagnetica:
i due campi oscillano perpendicolarmente tra loro e
contemporaneamente si spostano nello spazio.
y
ventre
nodo
cresta
x
k
Figura 15
La lunghezza d’onda
k
.
Figura 16
Onde di differente frequenza.
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