Caricamento in corso...
Le onde luminose
La luce è sempre stato un fenomeno affascinante e controverso su cui si è molto discusso fin dai tempi di Newton. Scopri l’acceso dibattito sulla natura della luce e le sue caratteristiche fisiche!
Appunti
Qual è la natura della luce?
Natura corpuscolare o natura ondulatoria? Newton o Young?
Alcune evidenze sperimentali sembrano essere decisive per la risoluzione del dibattito ... leggi i post per scoprire di più!
Contenuti di questa lezione su: Le onde luminose
Caratteristiche generali della luce
Isaac Newton fu uno dei primi scienziati ad interessarsi ai fenomeni luminosi. Egli sosteneva che la luce fosse un insieme di corpuscoli molto piccoli e veloci, dunque credeva che la luce avesse una natura corpuscolare. Questa interpretazione era la più accreditata fino agli inizi dell'Ottocento.
Christiaan Huygens, fisico olandese, al contrario, può essere annoverato tra coloro che sostenevano l'ipotesi diametralmente opposta e molto meno "di moda" della natura ondulatoria della luce; questa interpretazione prevedeva che la luce si comportasse come un’onda.
A sostegno di quest’ultima teoria si schierò il fisico inglese ThomasYoung, il quale realizzò un esperimento in cui riuscì ad osservare l’interferenza tra due raggi luminosi, un fenomeno possibile solo nel mondo delle onde!
Il dibattito diede origine a due grandi rami dell’ottica: l’ottica geometrica, che si occupava di fenomeni in cui la luce sembrava comportarsi come un insieme di corpuscoli, e l’ottica fisica (o ondulatoria), che studiava le situazioni in cui la luce sembrava comportarsi da onda.
Chi aveva veramente ragione?
In certa misura TUTTI E DUE! Esistono dei casi in cui la luce è in grado di mostrare la sua natura corpuscolare interagendo con la materia (bisogna sottolineare, però, che con il termine “corpuscolo” si intendeva una particella massiva piccola e veloce, non ancora i "pacchetti di energia" della fisica quantistica); in altre situazioni, invece, la radiazione luminosa si comporta esattamente come onda, vale a dire, è in grado di interferire e diffrangere.
Sovrapposizione e interferenza della luce
Trattandosi di un’onda, anche la luce è in grado di interferire.
Le condizioni affinché sia creata una figura d’interferenza sono molto particolari:
- è necessario che i fasci di luce emessi dalle sorgenti siano monocromatici (devono essere costituiti da una sola lunghezza d’onda e quindi caratterizzati dalla stessa frequenza)
- le sorgenti devono mantenere una relazione di fase costante (due sorgenti si dicono in fase quando emettono luce in modo coerente, cioè quando diffondono contemporaneamente due creste o due ventri).
Ciò che non cambia è la condizione per cui si ottiene interferenza costruttiva o interferenza distruttiva.
Si ha un’interferenza costruttiva quando la differenza di cammino dalle sorgenti è un multiplo intero della lunghezza d’onda :
£$l_1 - l_2 = m \lambda$£
Dove £$l_1$£ e £$l_2$£ sono le distanze dal punto di incontro tra le onde e le sorgenti.
Si ha un’interferenza distruttiva quando la differenza di cammino dalle sorgenti è un multiplo intero dispari di mezza lunghezza d’onda:
£$l_1 - l_2 = \frac{m}{2}\lambda$£
Non ti ricordi le condizioni di interferenza per le onde? Vai alla lezione su Le onde!
L’esperimento di Young
L'apparato sperimentale di Young
Le fenditure sono sorgenti puntiformi di onde
Intorno al 1801, il fisico inglese ThomasYoung realizzò un esperimento che dimostrò la natura ondulatoria della luce.
Egli prese una sorgente di luce monocromatica e la puntò verso due schermi, posti l’uno dietro l’altro, il primo con una singola fenditura e il secondo con una doppia fenditura, come in figura 1.
Il raggio luminoso veniva proiettato sul primo schermo e, da lì, attraversa la fenditura, incideva sul secondo; infine, dalla doppia fenditura, la luce si propagava verso una parete sulla quale si presentò una figura di interferenza. Se la luce, come sosteneva Newton, fosse stata un insieme di corpuscoli, Young avrebbe dovuto vedere sulla parete solo due tratti illuminati in direzione della doppia fenditura ma questo non accadeva! L’unico modo possibile per spiegare i risultati ottenuti era interpretarli con la natura ondulatoria della luce!
Per realizzare questo esperimento il fisico inglese utilizzò uno dei principi proposti dal collega Christiaan Huygens : “ciascuna fenditura agisce come una sorgente di onde che si propagano verso l’esterno in tutte le direzioni” (le fenditure possono essere considerate come sorgenti puntiformi!).
Dunque, dato che le due fenditure poste sul secondo schermo si trovano alla stessa distanza rispetto alla prima, esse svolgono la funzione di sorgenti coerenti di luce.
Basandoci sugli studi di trigonometria e sulla figura collocata all’inizio del post, possiamo affermare che la differenza di cammino £$\Delta l$£ della luce proveniente dalle due fenditure è:
£$\Delta l = d \cdot sin \ \alpha$£
Di conseguenza, la frangia luminosa più vicina al punto centrale si verifica per un angolo £$\alpha$£ dato dalla condizione:
£$d \ sin \ \alpha = \lambda$£
£$sin \ \alpha = \frac{\lambda}{d}$£
La condizione affinché si crei una frangia luminosa (interferenza costruttiva) sulla parete è dunque:
£$d \ sin \ \alpha = m \lambda$£ (dove m=0,1,2 ecc.)
Mentre la condizione per le frange scure (interferenza distruttiva) risulta:
£$d \ sin \ \alpha = (m - \frac{1}{2}) \lambda$£
Se guardi attentamente la terza immagine, potrai capire anche quanto sia facile calcolare la distanza £$y$£ tra una frangia distante e quella centrale!
Usando la trigonometria, £$y$£ risulta:
£$y = L \ tg \ \alpha$£
La diffrazione
Qualsiasi tipo di onda (onde del mare, onde sonore, onde luminose ecc.) sono in grado di diffrangere, ovvero possono cambiare disposizione dei fronti d'onda (le creste) quando incontrano un ostacolo.
Un esempio lampante consiste nella nostra possibilità di udire un suono nonostante non ci si trovi di fronte alla sorgente sonora che lo sta emettendo, come i giocatori di football americano sentono il quarterback chiamare gli schemi alle loro spalle.
Inoltre, secondo il principio di Huygens per cui ogni fenditura si comporta da sorgente puntiforme, quando le onde ne attraversano una, iniziano a diffondere in tutte le direzioni formando le cosiddette figure di diffrazione!
Analizziamo il caso più semplice, ovvero quello della diffrazione dovuta ad una singola fenditura.
La fenditura di larghezza £$W$£ svolge la funzione di sorgente puntiforme e crea, su una parete posta ad una distanza £$d$£ (molto maggiore di £$W$£), una figura di diffrazione. È importante sottolineare che la larghezza delle fenditure deve essere piccola perchè si possano avere figure di diffrazione, dell'ordine dei millimetri.
Come potete vedere dall’immagine, la frangia centrale, dove la differenza di cammino della luce dalle sorgenti (£$\frac{W}{2} sin \ \alpha $£) è 0, è sempre luminosa e la sua lunghezza risulta essere circa : £$2 \frac{\lambda}{W}$£.
Per la diffrazione, la condizione che permette di ottenere una frangia scura (interferenza distruttiva) è opposta a quella dell’interferenza:
£$W sin \ \alpha = m \lambda$£ (Dove m = 1,2,3 ecc.)
La formula appena descritta non vale per i reticoli di diffrazione, composti da una serie di fenditure poste l’una vicinissima all’altra (alcuni reticoli possono avere addirittura 40 000 fenditure per centimetro!), in grado far diffrangere il raggio luminoso che lo colpisce.
La figura d’interferenza che si crea è molto simile a quella che abbiamo visto in precedenza per l’esperimento di Young. Le frange luminose più evidenti, che rappresentano l’interferenza costruttiva, vengono chiamate massimi principali, intervallati da frange scure derivanti dall’interferenza distruttiva, e frange chiare molto più deboli, chiamate massimi secondari.
Ogni reticolo è caratterizzato dal numero di linee per unità di lunghezza £$N$£ che, solitamente, rappresenta il numero di fenditure del reticolo per centimetro.
La distanza £$d$£ tra le fenditure è semplicemente l’inverso di £$N$£.
Essendo simile a quanto già scritto nel post 3, possiamo dire che la condizione che deve essere soddisfatta per l’interferenza costruttiva è:
£$d \ sin \ \alpha = m \lambda$£ (Dove £$d$£ è la distanza tra una fenditura e quella successiva)
