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Luce ed elettroni
UNITÀ
C2
1. ‘Dentro’ la luce: onde o corpuscoli?
Le moderne interpretazioni sulla natura della luce risalgono al XVIII secolo e
sono attribuibili al fisico inglese Isaac Newton e all’astronomo olandese Chri-
stian Huygens, sostenitori di ipotesi diverse.
In estrema sintesi, secondo Newton vediamo gli oggetti che ci circondano
perché essi emettono dei corpuscoli, mentre per Huygens le immagini che per-
cepiamo, in analogia ai suoni, sono formate da un flusso di onde che partono
dai corpi (
Figura 1
).
Un passo decisivo per la definizione della natura della luce fu fatto ancora una
volta grazie allo studio dell’elettricità.
Nella seconda metà del XIX secolo, il fisico scozzese
James Clerk Maxwell
, stu-
diando i fenomeni elettrici e magnetici, intuì che una carica elettrica oscillante
doveva produrre un campo elettrico e uno magnetico, tra loro perpendicolari,
che si propagavano in forma di onde. L’esistenza di tali onde “elettromagnetiche”
fu poi effettivamente dimostrata sperimentalmente dal fisico tedesco
Heinrich
Rudolf Hertz
(1857-1894). La luce rivelava un comportamento analogo a quello
delle onde elettromagnetiche e, poiché la velocità di propagazione di queste ulti-
me risultò uguale a quella misurata per la luce, egli concluse che:
la
luce
è costituita da
onde elettromagnetiche
, formate dalla simultanea propa-
gazione di un
campo magnetico
(M) e di un
campo
elettrico
(E), che oscillano su
piani perpendicolari.
Poiché spesso l’interazione tra luce e materia riguarda
esclusivamente la componente elettrica della radiazione,
per semplicità si rappresenta solo quest’ultima (
Figura 2
).
Ogni onda elettromagnetica è caratterizzata da una
lun-
ghezza d’onda
l
(lambda), che rappresenta la distanza
fra i punti corrispondenti di due onde successive, e dalla
frequenza
n
(ni), che è il numero delle oscillazioni che
l’onda compie in un secondo (
Figura 3
).
Lunghezza d’onda e frequenza sono inversamente pro-
porzionali e la costante di proporzionalità è data dalla
velocità di propagazione
dell’onda.
La velocità di tutte le onde elettromagnetiche, luce
compresa, è dunque costante ma varia da un mezzo
all’altro (aria, acqua, vetro ecc.); nel vuoto essa vale
circa 300 000 km
?
s
-
1
e si indica con la lettera
c
. Per
semplicità, utilizzeremo tale valore (
c
=
300000 km
?
s
-
1
) per la velocità in qual-
siasi mezzo, il che consente di scrivere la relazione tra le grandezze viste come:
ν =
c
λ
La lunghezza d’onda viene misurata in metri, mentre la frequenza viene misu-
rata in cicli al secondo o hertz (Hz).
L’insieme di tutte le radiazioni elettromagnetiche si dice
spettro elettromagnetico
.
Pur essendo tutte caratterizzate dalla propagazione dei due campi visti, le onde
elettromagnetiche possono comportarsi in maniera del tutto diversa quando
incontrano la materia.
Figura 2
Spesso un’onda elettromagnetica si
rappresenta disegnando la sua sola
componente elettrica.
Figura 1
Newton e Huygens sostenevano ipotesi
diverse circa la natura della luce.
Figura 3
In un’onda elettromagnetica,
all’aumentare della frequenza la
lunghezza d’onda diminuisce.
E
tempo
1 s
ampiezza
spazio
ampiezza
n
=
2 Hz
l
l
tempo
1 s
ampiezza
spazio
ampiezza
n
=
4 Hz
l
l
velocità di propagazione
lunghezza d’onda
frequenza
luce
light
onde
elettromagnetiche
electromagnetic waves
lunghezza d’onda
wavelength
frequenza
frequency
spettro elettromagnetico
electromagnetic spectrum
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M
direzione di
propagazione
E
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