Evoluzione storica e scientifica dei modelli di luce e fenomeni ottici

Modelli di luce nel XVII secolo

Nel XVII secolo sono state date due risposte a questa domanda e sono stati sviluppati due modelli:

-il modello corpuscolare la luce è un flusso di particelle microscopiche (corpuscoli) emesse da sorgenti luminose. Fu proposto da Isaac Newton.

- il modello ondulatorio  la luce è un’onda, simile alle onde che si propagano nell’acqua e alle onde sonore. Questo modello fu sostenuto dal fisico, astronomo e matematico olandese Christiaan Huygens.

I corpuscoli, come piccoli proiettili, sono materia in movimento. Le onde, invece, sono perturbazioni di un mezzo che si propagano trasportando energia e quantità di moto, ma non materia.

Evoluzione dei modelli di luce

Fino all’inizio del XIX secolo gli scienziati ritenevano valido il modello proposto da Newton in quanto spiegava efficacemente il fenomeno della formazione di ombre nette: dove arrivano i corpuscoli c’è luce, dove non arrivano c’è ombra. Questo modello descriveva in modo soddisfacente la riflessione della luce: i corpuscoli rimbalzano come pallini sulle superfici riflettenti.
Gli esperimenti di Foucault sulla velocità della luce, verso la metà del XIX smentirono il modello corpuscolare della luce ed avvalorarono il modello ondulatorio che, inizialmente, era stato giudicato poco convincente perche non era chiaro che tipo di perturbazione fosse la luce né in che mezzo si propagasse.

Questo modello si impose del tutto quando, alla fine del XIX secolo, trovò conferma la previsione di James Clerk Maxwell, secondo cui: la luce è un’onda elettromagnetica, cioè un’onda che si propaga anche nel vuoto ha, come grandezze variabili in funzione del tempo e della posizione, il campo elettrico ed il campo magnetico.

Le onde luminose differiscono da quelle sonore perché non hanno bisogno di un mezzo per propagarsi.

Scoperta di Einstein e dualità della luce

Nel 1905 Albert Einstein scoprì che quando la luce colpisce un metallo e provoca l’emissione di elettroni, si comporta come se fosse costituita da una pioggia di particelle, i fotoni.

La luce si comporta quindi in alcune situazioni come un’onda, in altre come un corpuscolo.
Le onde luminose, così come quelle sonore, sono percepite dai nostri sensi in maniera differente a seconda della frequenza.

Il modo in cui il nostro occhio percepisce i colori è chiamato spettro visibile, a differenti valori di frequenza corrispondono diversi colori. Si può definire come l’insieme delle lunghezze d’onda che variano da 380 nm a 750 nm e frequenze comprese tra gli ordini di grandezza 1014 Hz e 1015 Hz.

I colori nello spettro visibile variano dal rosso al violetto, attraversando tutti i colori intermedi, la lunghezza d’onda diminuisce e la frequenza aumenta.

La presenza contemporanea di tutte le lunghezze d'onda visibili, in quantità proporzionali a quelle della luce solare, forma la luce bianca.

Fenomeno dell'arcobaleno

Spiegare il fenomeno dell’arcobaleno

L’arcobaleno è l’effetto della dispersione ( fenomeno secondo cui, per effetto della rifrazione, la luce si separa dalle sue diverse componenti monocromatiche) prodotta dalle gocce di pioggia quando sono illuminate dal sole.

Ogni goccia si comporta come un prisma.

Un arcobaleno si può osservare solo in situazioni particolari: ci si deve comunque trovare tra il sole e, dalla parte opposta, vi deve essere una regione del cielo ancora investita dalla pioggia.

Formazione e caratteristiche dell'arcobaleno

L'aspetto di un arcobaleno è provocato dalla dispersione ottica della luce solare che attraversa le gocce di pioggia. La luce solare rifrange una prima volta all’ingresso della goccia, si riflette sulla parte opposta al suo interno e si rifrange una seconda volta all’uscita.

Questo effetto è visibile quando ci poniamo con un'angolazione di 40/42° rispetto alla direzione dei raggi che incidono sulle gocce.

La quantità di luce che viene rifratta dipende dalla sua lunghezza d'onda, e quindi dal suo colore.

La forma circolare dell'arcobaleno deriva dal fatto che l'angolo che massimizza l'intensità dei raggi solari riflessi dalle gocce d'acqua risulta essere costante, di circa 42° rispetto all'osservatore.

La componente rossa della luce, deviata in misura minore rispetto alla direzione dei raggi solari incidenti, giunge da gocce che si trovano più in alto e la componente violetta gli giunge da gocce che si trovano più in basso. Questo è il motivo per cui l’arcobaleno è violetto in basso, sul bordo interno e , e rosso in alto, sul bordo esterno.

Di solito gli arcobaleni più vividi sono circondati da un arcobaleno secondario che ha i colori invertiti e deriva da un’ulteriore riflessione entro la goccia. Poiché ad ogni riflessione una parte della luce viene trasmessa ed esce nell’aria, l’arcobaleno secondario è più tenue del primario.