Questa voce o sezione sull'argomento scienza non cita alcuna fonte o le fonti presenti sono insufficienti. Puoi migliorare questa voce aggiungendo citazioni da fonti attendibili secondo le linee guida sull'uso delle fonti. Il termine luce (dal latino lux) si riferisce alla porzione dello spettro elettromagnetico visibile dall'occhio umano, ed è approssimativamente compresa tra 400 e 700 nanometri di lunghezza d'onda, ovvero tra 750 e 430 THz di frequenza. Questo intervallo coincide con il centro della regione spettrale della luce emessa dal sole che riesce ad arrivare al suolo attraverso l'atmosfera. I limiti dello spettro visibile all'occhio umano non sono uguali per tutte le persone, ma variano soggettivamente e possono raggiungere i 730 nanometri, avvicinandosi agli infrarossi, e i 380 nanometri avvicinandosi agli ultravioletti. La presenza contemporanea di tutte le lunghezze d'onda visibili, in quantità proporzionali a quelle della luce solare, forma la luce bianca. La luce, come tutte le onde elettromagnetiche, interagisce con la materia. I fenomeni che più comunemente influenzano o impediscono la trasmissione della luce attraverso la materia sono: l'assorbimento, la diffusione (scattering), la riflessione speculare o diffusa, la rifrazione e la diffrazione. La riflessione diffusa da parte delle superfici, da sola o combinata con l'assorbimento, è il principale meccanismo attraverso il quale gli oggetti si rivelano ai nostri occhi, mentre la diffusione da parte dell'atmosfera è responsabile della luminosità del cielo. Sebbene nell'elettromagnetismo classico la luce sia descritta come un'onda, l'avvento della meccanica quantistica agli inizi del XX secolo ha permesso di capire che questa possiede anche proprietà tipiche delle particelle e di spiegare fenomeni come l'effetto fotoelettrico. Nella fisica moderna la luce (e tutta la radiazione elettromagnetica) viene composta da unità fondamentali, o quanti, di campo elettromagnetico chiamati fotoni. Fasci di luce solare che filtrano tra le nubi Indice 1 Etimologia 1.1 Teoria corpuscolare 1.2 Teoria ondulatoria 1.3 Teoria elettromagnetica 1.4 Teoria quantistica 2 La velocità della luce 3 Ottica 4 Colori e lunghezze d'onda 4.1 Lunghezze d'onda della luce visibile 5 Grandezze misurabili 6 Sorgenti di luce 7 Note 8 Altri progetti modifica Etimologia Il termine "luce" ha origine dal latino lux (gen. lucis), dalla radice indoeuropea leuk- con il significato di luce, brillantezza; la stessa del greco leukòs, bianco, e che si ritrova in "luna". È una voce vastamente attestata, che va confrontata con il tedesco licht, l'inglese light, il lituano laukas (ossia pallido) e addirittura l'ittita lukezi[1]. modifica Teoria corpuscolare Formulata da Isaac Newton nel XVII secolo. La luce veniva vista come composta da piccole particelle di materia (corpuscoli) emesse in tutte le direzioni. Oltre che essere matematicamente molto più semplice della teoria ondulatoria, questa teoria spiegava molto facilmente alcune caratteristiche della propagazione della luce che erano ben note all'epoca di Newton. Innanzitutto la meccanica galileiana prevede, correttamente, che le particelle (inclusi i corpuscoli di luce) si propaghino in linea retta ed il fatto che questi fossero previsti essere molto leggeri era coerente con una velocità della luce alta ma non infinita. Anche il fenomeno della riflessione poteva essere spiegato in maniera semplice tramite l'urto elastico della particella di luce sulla superficie riflettente. La spiegazione della rifrazione era leggermente più complicata ma tutt'altro che impossibile: bastava infatti pensare che le particelle incidenti sul materiale rifrangente subissero, ad opera di questo, delle forze perpendicolari alla superficie che ne aumentassero la velocità, cambiandone la traiettoria e avvicinandola alla direzione normale alla superficie. I colori dell'arcobaleno venivano spiegati tramite l'introduzione di un gran numero di corpuscoli di luce diversi (uno per ogni colore) ed il bianco era pensato come formato da tante di queste particelle. La separazione dei colori ad opera, ad esempio, di un prisma poneva qualche problema teorico in più perché le particelle di luce dovrebbero avere proprietà identiche nel vuoto ma diverse all'interno della materia. modifica Teoria ondulatoria Formulata da Christiaan Huygens nel 1678 ma pubblicata solo nel 1690 nel Traité de la Lumière, la luce veniva vista come un'onda che si propaga (in maniera del tutto simile alle onde del mare o a quelle acustiche) in un mezzo, chiamato etere, che si supponeva pervadere tutto l'universo ed essere formato da microscopiche particelle elastiche. La teoria ondulatoria della luce permetteva di spiegare (anche se in maniera matematicamente complessa) un gran numero di fenomeni: oltre alla riflessione ed alla rifrazione, Huygens riuscì infatti a spiegare anche il fenomeno della birifrangenza nei cristalli di calcite. Nel 1801 Thomas Young dimostrò come i fenomeni della diffrazione (osservata per la prima volta Francesco Maria Grimaldi nel 1665) e dell'interferenza fossero interamente spiegabili dalla teoria ondulatoria e non lo fossero dalla teoria corpuscolare. Agli stessi risultati arrivò Augustin-Jean Fresnel nel 1815. Nel 1814 Joseph von Fraunhofer fu il primo ad investigare seriamente sulle righe di assorbimento nello spettro del Sole, che vennero esaurientemente spiegate da Kirchhoff e da Bunsen nel 1859, con l'invenzione dello spettroscopio. Le righe sono ancora oggi chiamate linee di Fraunhofer in suo onore. Il fatto che le onde sono capaci di aggirare gli ostacoli mentre la luce si propaga in linea retta (questa proprietà era già stata notata da Euclide nel suo Optica) poteva essere facilmente spiegato assumendo che la luce abbia una lunghezza d'onda microscopica. Al contrario della teoria corpuscolare, quella ondulatoria prevede che la luce si propaghi più lentamente all'interno di un mezzo che nel vuoto; restano ambiguitàspecificare quali. Per approfondire, vedi la voce Dualismo onda-particella. modifica Teoria elettromagnetica Per la grandissima maggioranza delle applicazioni questa teoria è ancora utilizzata al giorno d'oggi. Proposta da James Clerk Maxwell alla fine del XIX secolo, sostiene che le onde luminose sono elettromagnetiche e non necessitano di un mezzo per la trasmissione. La luce visibile è solo una piccola parte dello spettro elettromagnetico. Con la formulazione delle equazioni di Maxwell vennero completamente unificati i fenomeni elettrici, magnetici ed ottici. modifica Teoria quantistica Per risolvere alcuni problemi sulla trattazione del corpo nero nel 1900 Max Planck ideò un artificio matematico: pensò che l'energia associata ad un'onda elettromagnetica non fosse proporzionale al quadrato della sua ampiezza (come nel caso delle onde elastiche in meccanica classica), bensì direttamente proporzionale alla frequenza, e che la sua costante di proporzionalità fosse discreta e non continua. L'interpretazione successiva che Einstein diede dell'effetto fotoelettrico, incanalò il pensiero dei suoi contemporanei verso una nuova strada. Si cominciò a pensare che quanto fatto da Planck non fosse un mero artificio matematico, ma piuttosto l'interpretazione di una nuova struttura fisica; cioè che la natura della luce potesse avere un qualche rapporto con una forma discreta di alcune sue proprietà. Si cominciò a parlare di pacchetti discreti d'energia. modifica La velocità della luce Per approfondire, vedi la voce Velocità della luce. La luce si propaga a una velocità finita. Anche gli osservatori in movimento misurano sempre lo stesso valore di c, la velocità della luce nel vuoto, dove c = 299 792 458 m/s. Nell'uso comune, questo valore viene arrotondato a 300 000 km/s. La velocità della luce è stata misurata molte volte da numerosi fisici. Il primo tentativo di misura venne compiuto da Galileo Galilei con l'ausilio di lampade oscurabili ma la rudimentalità dei mezzi disponibili non permise di ottenere alcun valore. La migliore tra le prime misurazioni venne eseguita da Olaus Roemer (un fisico danese), nel 1676. Egli sviluppò un metodo di misurazione, osservando Giove e una delle sue lune con un telescopio. Grazie al fatto che la luna veniva eclissata da Giove a intervalli regolari, calcolò il periodo di rivoluzione della luna in 42,5 ore, quando la Terra era vicina a Giove. Il fatto che il periodo di rivoluzione si allungasse quando la distanza tra Giove e Terra aumentava, poteva essere spiegato assumendo che la luce impiegava più tempo a coprire la distanza Giove-Terra, ipotizzando quindi, una velocità finita per essa. La velocità della luce venne calcolata analizzando la distanza tra i due pianeti in tempi differenti. Roemer calcolò una velocità di 227 326 km/s. Albert A. Michelson migliorò il lavoro di Roemer nel 1926. Usando uno specchio rotante, misurò il tempo impiegato dalla luce per percorrere il viaggio di andata e ritorno dal monte Wilson al monte Sant Antonio in California. La misura precisa portò a una velocità di 299 796 km/s. Questo esperimento in realtà misurò la velocità della luce nell'aria. Infatti, quando la luce passa attraverso una sostanza trasparente, come l'aria, l'acqua o il vetro, la sua velocità c si riduce a v=c/n (dove n è il valore dell'indice di rifrazione del mezzo) ed è sottoposta a rifrazione. In altre parole, n = 1 nel vuoto e n > 1 nella materia. L'indice di rifrazione dell'aria di fatto è molto vicino a 1, e in effetti la misura di Michelson è un'ottima approssimazione di c. modifica Ottica Lo studio della luce e dell'interazione tra luce e materia è detto ottica. L'osservazione e lo studio dei fenomeni ottici, come ad esempio l'arcobaleno offre molti indizi sulla natura della luce. modifica Colori e lunghezze d'onda Le differenti lunghezze d'onda vengono interpretate dal cervello come colori, che vanno dal rosso delle lunghezze d'onda maggiori (frequenze più basse) al violetto delle lunghezze d'onda minori (frequenza più alte). Non a tutti i colori possiamo associare una lunghezza d'onda precisa. Non c'è, cioè, una relazione biunivoca tra i colori che noi percepiamo e le lunghezze d'onda. Quasi tutti i colori che ci vengono dall'ambiente, cioè, non sono puri, ma sono in realtà una sovrapposizione di luci più lunghezze d'onda. Se ad ogni lunghezza d'onda è associabile un colore, non è vero il contrario. Quei colori a cui non sono associate lunghezze d'onda, sono invece generati dal meccanismo di funzionamento del nostro apparato visivo (cervello+occhio). In particolare i coni, cellule della retina responsabili della visione del colore, si differenziano in tre tipi perché sensibili a tre diverse regioni spettrali della luce. Quando al nostro occhio arriva luce composta da più onde monocromatiche, appartenenti a regioni diverse dello spettro, il nostro cervello interpreta i segnali provenienti dai tre tipi di sensori come un nuovo colore, "somma" di quelli originari. Il che è molto simile al procedimento inverso di quello che si fa con la riproduzione artificiale dei colori, per esempio con il metodo RGB. Le frequenze immediatamente al di fuori dello spettro percettibile dall'occhio umano vengono chiamate ultravioletto (UV), per le alte frequenze, e infrarosso (IR) per le basse. Anche se noi non possiamo vedere l'infrarosso, esso viene percepito dai recettori della pelle come calore. Tutte le lunghezze d'onda dello spettro elettromagnetico a partire dalla LUCE VISIBILE, escludendo le parti minoritarie dei raggi x, delle onde radio e solo una porzione degli ultravioletti, sono fonte di calore. Telecamere in grado di captare i raggi infrarossi e convertirli in luce visibile vengono chiamati visori notturni. Alcuni animali, come le api, riescono a vedere gli ultravioletti; altri invece riescono a vedere gli infrarossi. Gli ultravioletti di tipo b sono "i responsabili" delle scottature se l'esposizione solare è avvenuta in modo inadeguato. modifica Lunghezze d'onda della luce visibile Per approfondire, vedi la voce Spettro visibile. La luce visibile è una porzione dello spettro elettromagnetico compresa approssimativamente tra i 400 e i 700 nanometri (nm) (nell'aria). La luce è anche caratterizzata dalla sua frequenza. Frequenza e lunghezza d'onda obbediscono alla seguente relazione: l=v/f (dove l è la lunghezza d'onda, v è la velocità nel mezzo considerato - nel vuoto in genere si indica con c -, f è la frequenza della radiazione). modifica Grandezze misurabili Di seguito sono riportate quantità o unità di misura legate a fenomeni luminosi: Tonalità (o temperatura) luminosità illuminamento (unità SI: lux) flusso luminoso (unità SI: lumen) intensità luminosa (unità SI: candela) modifica Sorgenti di luce Radiazione termica Lampade ad incandescenza Luce solare fuoco Qualsiasi corpo ad di sopra di una certa temperatura (cioè incandescente, ad es. metallo fuso) Emissione spettrale atomica (la fonte di emissione può essere stimolata o spontanea) Laser e Maser (emissione stimolata) LED (light emitting diode) lampade a scarica di gas (insegne al neon, lampade al mercurio, etc) Fiamme dei gas Accelerazione di una particella dotata di carica (solitamente un elettrone) Radiazione ciclotronica Bremsstrahlung Effetto Čerenkov luce di sincrotrone chemioluminescenza fluorescenza fosforescenza tubo catodico bioluminescenza sonoluminescenza triboluminescenza radioattività annichilazione particella-antiparticella modifica Note ^ Online Etymology Dictionary - Light. etymonline.com. URL consultato il 26-12-2009. modifica Altri progetti Commons Wikizionario Wikiquote Wikimedia Commons contiene file multimediali sulla luce Wikizionario contiene la voce di dizionario «luce» Wikiquote contiene citazioni sulla luce Spettro elettromagnetico (Ordinato in base alla frequenza, ordine crescente) Onde radio | Microonde | Radiazione Terahertz | Infrarosso | Luce visibile | Ultravioletto | Raggi X | Raggi gamma Spettro delle onde radio ELF SLF ULF VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF 3 Hz 30 Hz 300 Hz 3 kHz 30 kHz 300 kHz 3 MHz 30 MHz 300 MHz 3 GHz 30 GHz 30 Hz 300 Hz 3 kHz 30 kHz 300 kHz 3 MHz 30 MHz 300 MHz 3 GHz 30 GHz 300 GHz Spettro visibile: Rosso | Arancione | Giallo | Verde | Ciano | Blu | Violetto Portale Elettromagnetismo Portale Meccanica quantistica