In breve: la luce è un'onda elettromagnetica che si propaga in linea retta, ma quando incontra ostacoli, superfici o aperture mostra comportamenti caratteristici: si riflette, si rifrange, si scompone nei colori, si diffrange e interferisce con se stessa.
Quando accendiamo una lampada o osserviamo il Sole, siamo immersi in un fenomeno fisico straordinariamente ricco. La luce viaggia nel vuoto a una velocità enorme, circa 300 000 km/s, e nei materiali trasparenti rallenta in modo misurabile. Per molti secoli si è discusso se fosse fatta di particelle o di onde, finché esperimenti come quello di Young hanno mostrato la sua natura ondulatoria. Oggi sappiamo che è un'onda elettromagnetica, ma anche che in certi contesti si comporta come un insieme di quanti chiamati fotoni. In questa unità ci concentriamo sui comportamenti ondulatori, che spiegano gran parte di ciò che vediamo ogni giorno. Comprenderli significa saper leggere arcobaleni, specchi, lenti, bolle di sapone e schermi colorati con occhi nuovi.
Riflessione e rifrazione
Quando un raggio luminoso incontra una superficie liscia, parte della sua energia torna indietro: questo fenomeno è la riflessione. La legge fondamentale stabilisce che il raggio incidente, la normale alla superficie e il raggio riflesso giacciono sullo stesso piano e che l'angolo di incidenza è uguale all'angolo di riflessione. Su superfici levigate come uno specchio la riflessione è speculare e produce immagini nitide, mentre su superfici ruvide è diffusa e ci permette di vedere gli oggetti da ogni angolazione. Gli angoli si misurano sempre rispetto alla retta perpendicolare alla superficie, mai rispetto alla superficie stessa, e questa convenzione va ricordata in ogni problema. Se osservi te stesso allo specchio del bagno, la tua immagine appare dietro lo specchio alla stessa distanza a cui ti trovi davanti.
Quando invece la luce passa da un mezzo trasparente a un altro, come dall'aria all'acqua, cambia direzione: questa deviazione si chiama rifrazione ed è descritta dalla legge di Snell, n₁ sen θ₁ = n₂ sen θ₂. L'indice di rifrazione n di un mezzo è il rapporto fra la velocità della luce nel vuoto e quella nel mezzo, ed è sempre maggiore o uguale a 1. Passando da un mezzo meno denso a uno più denso il raggio si avvicina alla normale, mentre nel passaggio inverso se ne allontana e può addirittura essere riflesso totalmente oltre un certo angolo limite. Questo fenomeno spiega perché una cannuccia immersa in un bicchiere d'acqua sembra spezzata al pelo dell'acqua: i raggi che provengono dalla parte sommersa vengono deviati prima di raggiungere il nostro occhio. La riflessione totale è invece alla base del funzionamento delle fibre ottiche, che trasportano segnali luminosi a grandi distanze senza disperdersi.
Dispersione, diffrazione e interferenza
L'indice di rifrazione di un materiale non è esattamente lo stesso per tutti i colori, ed è proprio questa dipendenza dalla lunghezza d'onda a produrre la dispersione. Quando un fascio di luce bianca attraversa un prisma di vetro, i diversi colori vengono deviati di angoli leggermente diversi e si separano formando lo spettro visibile, dal rosso al violetto. Il rosso, che ha lunghezza d'onda maggiore, viene deviato meno del violetto, che ha lunghezza d'onda minore. L'arcobaleno nasce esattamente da questo meccanismo, con le gocce d'acqua sospese nell'aria che si comportano come minuscoli prismi sferici riflettenti. La luce bianca, quindi, non è un colore puro ma una sovrapposizione di tutte le componenti dello spettro visibile.
Se la luce incontra un ostacolo o un'apertura le cui dimensioni sono confrontabili con la sua lunghezza d'onda, si manifesta la diffrazione: i raggi si incurvano e invadono la regione che dovrebbe restare in ombra geometrica. Strettamente legata è l'interferenza, che si osserva quando due o più onde luminose coerenti si sovrappongono, sommandosi costruttivamente nei punti in cui i picchi coincidono e annullandosi distruttivamente dove un picco incontra una valle. L'esperimento di Young con due fenditure mostra in modo chiarissimo questi effetti, producendo su uno schermo una successione regolare di frange chiare e scure. Diffrazione e interferenza sono prove decisive della natura ondulatoria della luce, perché nessun modello puramente corpuscolare riuscirebbe a giustificarle in modo semplice. Anche i colori cangianti delle bolle di sapone o delle ali di certe farfalle sono dovuti a interferenza fra raggi riflessi dalle due superfici di sottili pellicole trasparenti.
Ricorda
- La luce si propaga in linea retta nel vuoto ma può essere riflessa (angolo incidente = angolo riflesso) e rifratta secondo la legge di Snell n₁ sen θ₁ = n₂ sen θ₂.
- Dispersione, diffrazione e interferenza confermano che la luce è un'onda: rispettivamente separano i colori, fanno aggirare gli ostacoli e creano frange chiare e scure.
- Esercizio attivo: sul quaderno disegna un raggio che passa dall'aria (n = 1,00) al vetro (n = 1,50) con angolo di incidenza di 30°. Calcola l'angolo di rifrazione applicando la legge di Snell e commenta se il raggio si avvicina o si allontana dalla normale.