In breve: la luce è un'onda elettromagnetica che si propaga in linea retta nei mezzi omogenei, ma può essere riflessa, rifratta, dispersa, diffratta e fatta interferire; questi fenomeni spiegano arcobaleni, miraggi, riflessi sull'acqua e i colori delle bolle di sapone.
Che cos'è la luce e come si propaga
La luce visibile è una piccolissima porzione dello spettro elettromagnetico, una radiazione che il nostro occhio percepisce con lunghezze d'onda comprese all'incirca tra 380 e 780 nanometri. Quando accendiamo una lampada percepiamo immediatamente la stanza illuminata perché la luce si muove a circa 300 000 chilometri al secondo nel vuoto, una velocità così grande da sembrare istantanea sulle scale quotidiane. In un mezzo omogeneo e trasparente, come l'aria pulita o un blocco di vetro, la luce viaggia in linea retta e questo fatto si chiama propagazione rettilinea. Possiamo verificarlo guardando il fascio sottile di un puntatore laser che attraversa una stanza leggermente impolverata: il raggio appare come un segmento dritto e ben definito. La propagazione rettilinea spiega anche perché esistono le ombre, dato che un oggetto opaco blocca il cammino dei raggi e crea dietro di sé una zona non illuminata. Nella penombra, invece, solo una parte della sorgente è oscurata, e questo accade ad esempio nelle eclissi parziali, in cui il Sole non è interamente coperto dalla Luna.
La riflessione: specchi e superfici lucide
Quando un raggio di luce incontra una superficie liscia, una parte rimbalza indietro seguendo una regola precisa che chiamiamo riflessione. La legge fondamentale afferma che l'angolo di incidenza, misurato rispetto alla normale alla superficie, è uguale all'angolo di riflessione, e che entrambi i raggi giacciono sullo stesso piano. Se la superficie è perfettamente lucida, come uno specchio piano, otteniamo una riflessione speculare e vediamo un'immagine nitida, virtuale, dritta e simmetrica rispetto allo specchio. Se invece la superficie è ruvida, come un muro intonacato, la luce si riflette in tutte le direzioni e parliamo di riflessione diffusa: è grazie a questo fenomeno che possiamo vedere gli oggetti che non emettono luce propria. Un esempio molto familiare è il riflesso del paesaggio in un lago calmo all'alba, dove la superficie liscia restituisce un'immagine quasi perfetta delle montagne. Un secondo esempio è la visibilità dei segnali stradali catarifrangenti di notte, costruiti con microsfere che rimandano la luce dei fari proprio verso il conducente.
La rifrazione: la luce che cambia strada
Quando un raggio passa da un mezzo trasparente a un altro, ad esempio dall'aria all'acqua, la sua velocità cambia e di conseguenza la sua direzione viene deviata: questo è il fenomeno della rifrazione. La legge di Snell-Cartesio lega il seno dell'angolo di incidenza al seno dell'angolo di rifrazione tramite gli indici di rifrazione dei due mezzi, secondo la relazione n1 · sin(θ1) = n2 · sin(θ2). L'indice di rifrazione di un mezzo è il rapporto tra la velocità della luce nel vuoto e quella nel mezzo, e per l'acqua vale circa 1,33, mentre per il vetro comune si aggira intorno a 1,5. Un esempio quotidiano è la matita immersa in un bicchiere d'acqua, che sembra spezzata o piegata nel punto in cui entra nel liquido, proprio perché i raggi che provengono dalla parte sommersa vengono deviati. Un altro esempio è il miraggio nelle giornate molto calde: gli strati di aria vicini all'asfalto rovente hanno indici di rifrazione diversi e fanno curvare la luce, facendoci vedere il riflesso del cielo come se fosse una pozza d'acqua sulla strada. La rifrazione è anche il principio che permette alle lenti di occhiali, microscopi e telescopi di formare immagini ingrandite o rimpicciolite.
Riflessione totale e dispersione cromatica
Quando la luce passa da un mezzo più denso ad uno meno denso, come dal vetro all'aria, esiste un angolo limite oltre il quale non si ha più rifrazione ma soltanto riflessione totale interna. Superato questo angolo critico, calcolabile come sin(θc) = n2/n1, tutta l'energia luminosa rimane intrappolata nel mezzo più rifrangente e rimbalza al suo interno, come succede nelle fibre ottiche che trasportano internet attraverso impulsi di luce. Un altro fenomeno legato alla rifrazione è la dispersione, ovvero il fatto che l'indice di rifrazione dipende leggermente dalla lunghezza d'onda: la luce violetta viene deviata un po' di più della luce rossa. Per questo motivo un prisma di vetro scompone un fascio di luce bianca in tutti i colori dell'iride, dando origine al cosiddetto spettro continuo. L'esempio naturale più spettacolare è l'arcobaleno, prodotto dalle gocce di pioggia che si comportano come tanti minuscoli prismi sferici, combinando rifrazione, riflessione interna e nuova rifrazione. Un secondo esempio è la sfumatura colorata che vediamo sui bordi delle immagini prodotte da una vecchia macchina fotografica economica, dovuta all'aberrazione cromatica delle sue lenti.
Diffrazione: la luce che gira intorno agli ostacoli
Se la luce fosse soltanto un insieme di raggi rettilinei, dovrebbe lasciare ombre perfettamente nette dietro ogni ostacolo, ma in realtà osservando con attenzione i bordi delle ombre si scoprono frange luminose e oscure che rivelano il suo carattere ondulatorio. Questo fenomeno si chiama diffrazione e consiste nella capacità delle onde di aggirare gli ostacoli o di allargarsi quando attraversano fenditure di dimensioni paragonabili alla loro lunghezza d'onda. Più la fenditura è stretta, più il fascio dopo di essa si allarga, formando una figura caratteristica con un massimo centrale luminoso affiancato da massimi secondari progressivamente più deboli. Un esempio facile da osservare in classe è il fascio di un laser fatto passare attraverso una fenditura ricavata in una lametta o tra due punte di matita: sulla parete compare una serie di righe alternate. Un esempio quotidiano è invece l'effetto iridescente che si vede guardando la superficie di un CD o DVD inclinato sotto la luce, perché le tracce incise funzionano come un reticolo di diffrazione che separa i colori. La diffrazione mette anche un limite alla nitidezza degli strumenti ottici, perché nessun microscopio o telescopio può distinguere dettagli molto più piccoli della lunghezza d'onda usata.
Interferenza: somma di onde luminose
Quando due onde luminose della stessa frequenza si incontrano in un punto, si sommano secondo il principio di sovrapposizione, e il risultato dipende dalla loro differenza di fase: questo fenomeno si chiama interferenza. Se le due onde arrivano in fase, cioè con cresta su cresta, otteniamo un'interferenza costruttiva con luminosità maggiore della somma delle singole intensità; se arrivano in opposizione di fase, cresta contro ventre, otteniamo interferenza distruttiva e in quel punto si osserva il buio. L'esperimento storico di Thomas Young, eseguito nel 1801 con due fenditure parallele molto vicine, mostra su uno schermo una serie di frange chiare e scure regolari ed è la prova classica della natura ondulatoria della luce. Un esempio quotidiano sono i colori cangianti delle bolle di sapone: la sottilissima pellicola d'acqua saponata produce due riflessioni, una sulla faccia esterna e una su quella interna, e le due onde interferiscono in modo diverso per ciascuna lunghezza d'onda. Un secondo esempio è la macchia colorata che si forma quando una goccia di benzina si spande su una pozzanghera bagnata, perché lo strato sottile di idrocarburo galleggia sull'acqua e crea anch'esso interferenza tra le riflessioni delle due superfici. L'interferenza viene oggi sfruttata anche nei trattamenti antiriflesso degli occhiali e degli obiettivi fotografici, dove uno strato calibrato cancella la luce riflessa indesiderata.
La luce come onda elettromagnetica e i colori
Nel corso dell'Ottocento James Clerk Maxwell dimostrò che la luce è un'onda elettromagnetica, formata da campi elettrici e magnetici che oscillano perpendicolarmente tra loro e perpendicolarmente alla direzione di propagazione. Questo significa che la luce è un'onda trasversale, e proprio per questa caratteristica può essere polarizzata, cioè costretta a vibrare in un solo piano, come avviene attraversando le lenti degli occhiali da sole polarizzati che eliminano i fastidiosi riflessi orizzontali. La frequenza dell'onda è legata al colore percepito: il rosso corrisponde a frequenze più basse e lunghezze d'onda maggiori, mentre il violetto corrisponde a frequenze più alte e lunghezze d'onda minori, con tutti gli altri colori dell'arcobaleno disposti in mezzo. Oltre il rosso troviamo gli infrarossi, invisibili ma percepiti come calore, usati nei telecomandi della televisione, mentre oltre il violetto ci sono gli ultravioletti, responsabili dell'abbronzatura e delle scottature solari. Un esempio interessante è il funzionamento degli schermi LCD, dove la rotazione di cristalli liquidi modifica la polarizzazione della luce per generare immagini. Un secondo esempio è il cielo che appare azzurro perché le molecole d'aria diffondono di più le lunghezze d'onda corte, e contemporaneamente rosso al tramonto perché la luce attraversa uno strato d'aria più spesso che assorbe e diffonde via le componenti più blu.
Ricorda
- La luce si propaga in linea retta nei mezzi omogenei e dà origine a ombra, penombra ed eclissi.
- Nella riflessione l'angolo di incidenza è uguale all'angolo di riflessione, misurati rispetto alla normale.
- Nella rifrazione vale la legge n1 · sin(θ1) = n2 · sin(θ2), e la luce rallenta entrando in un mezzo più denso.
- Oltre l'angolo limite si ha riflessione totale interna, sfruttata nelle fibre ottiche.
- La dispersione separa i colori perché l'indice di rifrazione dipende dalla lunghezza d'onda, e produce arcobaleno e spettro del prisma.
- Diffrazione e interferenza dimostrano che la luce è un'onda; bolle di sapone e CD ne sono esempi quotidiani.
- La luce è un'onda elettromagnetica trasversale: può essere polarizzata e i suoi colori dipendono dalla frequenza.
Piccolo esercizio di verifica da svolgere sul quaderno: un raggio di luce passa dall'aria (n = 1,00) al vetro (n = 1,50) formando un angolo di incidenza di 30°. Disegna la situazione mettendo in evidenza la normale, calcola l'angolo di rifrazione usando la legge di Snell e scrivi se il raggio si avvicina o si allontana dalla normale, motivando la risposta. Poi spiega in tre righe perché, all'interno del vetro, è possibile osservare la riflessione totale quando la luce cerca di uscire e calcola l'angolo limite corrispondente.