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Luce e onde

La doppia natura della luce
Ci sono due idee ben distinte su quale sia la reale natura della luce:
- interpretazione ondulatoria: con comportamento identico ad ogni altro tipo di onda;
- aspetto corpuscolare: la luce non è materia, bensì energia, ma si comporta come un flusso di particelle.

Le onde
Un'onda è un'oscillazione delle singole particelle dal punto di vista fisico e dal punto di vista dell'energia è un'energia che si propaga. Alcuni esempi sono la corda che vibra o il sasso che cade nell'acqua. Queste onde sono onde materiali, che non possono esistere nel vuoto, qui possono infatti esistere solo le onde elettromagnetiche. La differenza principale tra i due tipi di onde è che nelle elettromagnetiche si ha l'oscillazione di campi elettromagnetici; anche in queste vi è però la propagazione di energia.

Le onde si caratterizzano per ampiezza (il punto massimo dal punto di equilibrio raggiunto dall'onda), lunghezza d'onda (la distanza che intercorre tra due suoi massimi o minimi consecutivi), frequenza (quante oscillazione compie l'onda nell'unità di tempo) e velocità (dipende dal tipo di spazio che l'onda attraversa, per esempio tutte le onde elettromagnetiche nel vuoto hanno stessa velocità che è pari alla velocità della luce). Queste tre caratteristiche sono associabili anche alle onde elettromagnetiche, che hanno un campo di lunghezza d'onda e frequenza molto ampio (ampiezza e frequenza sono inversamente proporzionali). A seconda dell'ampiezza e della frequenza si hanno diversi tipi di onde. Per esempio quelle con lunghezza d'onda bassa e grande frequenza sono i raggi gamma e i raggi x, poi, andando avanti, sullo spettro elettromagnetico troviamo tutte le corrispondenze tra lunghezza d'onda-frequenza e le varie onde.
I nostri occhi sono dotati di recettori, che sono i coni e i bastoncelli, che sono in grado di riconoscere onde con particolari lunghezze d'onda e quando le riconoscono vengono liberati neurotrasmettitori che vanno nel cervello, dove l'informazione viene rielaborata e ci arriva l'immagine della luce. Se superiamo queste lunghezze d'onda verso il basso o verso l'alto non abbiamo più la percezione della luce (per esempio non vediamo i raggi x durante una radiografia).

Come possiamo affermare che la luce si comporta come onda meccanica?
Esempio 1, diffrazione: un fascio di luce incontra un interferenza molto piccola, per esempio un foro, passando attraverso di esso il fascio non si propaga più in linea retta, ma si allarga formando zone chiare e zone scure, dette frange di interferenza. Questo fenomeno è dovuto al fatto che passando per l'ostacolo le particelle delle luce vengono deviate e venendo deviate vanno a scontrarsi tra di loro e facendo questo possono rafforzarsi, indebolirsi o annullarsi, a seconda del punto dell'oscillazione al quale si trovano le due onde che si scontrano. La stessa cosa avviene facendo attraversare questo spazio ad un'onda meccanica.

Esempio 2, riflessione delle onde: la luce riflette su uno specchio ritornando indietro e anche le onde meccaniche si comportano allo stesso modo.
Ci sono però dei fenomeni relativi alla luce che non si possono spiegare con le onde.

Effetto fotoelettrico
Si è studiato questo fenomeno utilizzando quei tubi di vetro con elettrodi collegati a campi magnetici che erano stati usati anche per studiare i gas. Si illumina questo tubo con una luce di diversa intensità e frequenza. Utilizzando una luce rossa (legata ad una bassa frequenza) non succede nulla, aumentando la frequenza, ma continuando a tenere una luce rossa non succede ancora nulla. Si cambia ancora luce, utilizzandone una viola (quella a più alta frequenza), ora passa corrente, si staccano degli elettroni dall'elettrodo negativo e si muovono verso l'elettrodo positivo. Aumentando la frequenza, gli elettroni si muovono più velocemente e aumenta l'intensità della corrente. La luce ha la capacità di far staccare degli elettroni da un metallo, porta quindi un'energia che può essere sufficiente per svolgere questo compito. Esiste una soglia energetica al di sotto della quale non è possibile strappare gli elettroni. Più la frequenza della luce è alta, più elettroni si staccano e più velocemente si muovono. Questo fenomeno non può essere spiegato in termini ondulatori!.

Si è quindi pensato di descrivere la luce come un flusso di fotoni, che sono energia pura e sono più o meno a seconda del tipo di onda. Essi hanno anche una carica energetica legata alla frequenza.
Ad ogni fotone è associata un'energia che è espressa dalla relazione E = h v con h che è la costante di Planck e v che è la frequenza dell'onda. Il fotone, avendo una lunghezza d'onda, ha associata una frequenza definita. L'energia del fotone si trasmette solo per discreti (quote definite). La materia è discontinua e lo è anche l'energia.

Tipi di spettri di luce
I colori dipendono da come la luce interagisce con la materia. La luce di per sé è bianca. Facendo passare un fascio luminoso attraverso un prisma di vetro, a causa del fenomeno della diffrazione, si ottiene un arcobaleno contenente tutti i colori delle radiazioni. È però possibile ottenere degli spettri che contengano solo una parte di queste radiazioni ben definita. Per esempio se avessimo proiettato nel prisma la luce del saggio alla fiamma fatto in laboratorio avremmo ottenuto una cosa di questo secondo tipo.
I metalli, ma più in generale qualsiasi elemento chimico, bruciando danno luogo a uno spettro ben definito e caratteristico, detto spettro a righe.
A seconda delle condizioni a cui si trova l'elemento preso in esame si hanno però dei risultati diversi, infatti se prendiamo un materiale solido, liquido o gassoso ad alta pressione, otteniamo uno spettro continuo mentre con i gas a bassa pressione si ottiene uno spettro discontinuo.

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