Natura e propagazione della luce

La luce

La natura della luce è stata dibattuta per secoli, sin da quando Newton propose il modello corpuscolare e Huygens quello ondulatorio. Durante l'Ottocento però, ci furono varie scoperte, in primis l'esperimento di Young, a confermare la teoria ondulatoria della luce.

Possiamo quindi considerare la luce come un'onda, allora vale l'equazione fondamentale delle onde:

$v = \lambda\cdot f$

La luce ha velocità $v \approx 3\cdot 10^8 \,m/s$ nel vuoto.

Nota bene: la natura della luce verrà ridiscussa dopo gli studi di Albert Einstein della relatività ristretta.

Lo spettro di luce

Lo spettro di luce è un fenomeno di dispersione della luce studiato da Newton e ci dimostra come la luce bianca sia composta da vari colori (7 per la precisione).

Possiamo vedere, nella figura, della luce bianca che incide su un prisma. La luce viene quindi divisa in più fasci di luce colorata.

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E' importante vedere come ogni colore abbia la sua frequenza e lunghezza d'onda.

Diffrazione della luce

Visto che la luce è un'onda non possiamo più definirla a seconda dei raggi di luce, ma dobbiamo usare il fronte d'onda. Come visto nello studio delle onde, quando la luce incontra una fenditura di dimensioni simili alla sua lunghezza d'onda avviene il fenomeno della diffrazione, ovvero la luce si apre a ventaglio e si propaga oltre la fenditura.

Interferenza ed esperimento di Young

L'esperimento che dimostrò la natura ondulatoria della luce è l'esperimento di Young. Questo esperimento utilizza l'interferenza.

Come possiamo vedere dalla figura, una sorgente di luce viene puntata contro una parete con una fenditura, la quale diffrange la luce. Successivamente vi è posta una seconda parete con due fenditure.

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Infine vi è posto uno schermo ricettivo in cui si registreranno:

interferenza costruttiva, quando due massimi o minimi di ampiezza delle due onde provenienti dalle fenditure si sommano, allora ci sarà luce sullo schermo e le fenditure sono chiamate in fase;
interferenza distruttiva, quando si sommano un massimo ed un minimo delle due onde, allora ci sarà buio sullo schermo e le fenditure vengono chiamate in opposizione di fase.

Sullo schermo si susseguono quindi zone chiare di luce e zone scure di bui: questa figura è chiamata figura di interferenza.

Dai dati della figura possiamo ricavarci la lunghezza d'onda della luce con questa relazione:

$\lambda = \dfrac{y\cdot d}{D}$

$y$ è la distanza della prima zona luminosa da quella centrale, $d$ è la distanza tra le fenditure e $D$ è la distanza tra lo schermo e la seconda parete.

La propagazione della luce

Distinguiamo innanzitutto due tipi di sorgenti:

primarie, come il Sole, le lampadine;
secondarie, come la Luna, illuminata dal Sole, o come una superficie di un materiale che riflette la luce.

La luce può incontrare tre tipi di materiali: trasparenti, materiali che la lasciano passare (acqua, aria); opachi, materiali che non la lasciano passare ed infine traslucidi, materiali che lasciano trapassare la luce ma non permettono di vedere la sorgente.

La diffusione della luce

La diffusione è quel fenomeno che avviene quando la luce incontra un corpo opaco e viene deviata in molte direzioni. La maggior parte dei corpi diffonde la luce, come un foglio di carta, ed è grazie a questa diffusione che riusciamo a leggerlo.

Riflessione della luce

La riflessione è il fenomeno che accade quando la luce incontra un corpo opaco e viene deviata tutta nella stessa direzione.

Prendiamo in considerazione la figura qui sotto, dove un fascio di luce incide uno specchio con angolo $\theta_1$ rispetto alla perpendicolare, quest'angolo è chiamato angolo di incidenza. La luce viene quindi riflessa dallo specchio e forma, sempre con la perpendicolare, un angolo $\theta_2$ , chiamato angolo di riflessione.

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La riflessione è un fenomeno dettato da due leggi, chiamate leggi di Descartes, dal fisico che le ha enunciate, e sono:

il raggio incidente, il raggio riflesso e la normale al piano nel punto di riflessione appartengono tutti allo stesso piano, il quale viene chiamato piano di incidenza;
l'angolo di incidenza è uguale all'angolo di riflessione: $\theta_1 = \theta_2$ .

Indice di rifrazione

Definiamo l'indice di rifrazione di un mezzo come il rapporto tra la velocità della luce nel mezzo e la velocità della luce nel vuoto:

$n = \dfrac{v}c$

con $c \approx 3\cdot 10^8\,m/s = 300 \,000\,km/s$ .

L'indice di rifrazione dell'aria è $n = 1$ .

Rifrazione della luce

La rifrazione della luce è quel fenomeno che avviene quando un raggio di luce, che si propaga in un mezzo, incontra un secondo mezzo e prosegue con traiettoria deviata.

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Come per la riflessione, alla base della rifrazione ci sono due leggi:

il raggio incidente, il raggio rifratto e la normale al piano nel punto di incidenza appartengono allo stesso piano;
il rapporto tra il seno dell'angolo incidente e dell'angolo di rifrazione ( $\theta_3$ ) è sempre costante: $\dfrac{sin(\theta_1)}{sin(\theta_2)} = costante$ .

Possiamo inoltre notare come questo rapporto sia uguale al rapporto tra gli indici di rifrazione dei due mezzi:

$\dfrac{\sin \theta_1}{\sin\theta_2} = \dfrac{\nu_2}{\nu_1} \implies\nu_1 \cdot \sin\theta_1 = \nu_2 \cdot \sin\theta_2$

La formula ricavata è chiamata legge di Snell.

Angolo limite

L'angolo limite è definito come l'angolo di incidenza a cui corrisponde un angolo di rifrazione di $90\degree$ .

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Se la luce incide con un angolo maggiore dell'angolo limite si parla di riflessione totale.