NATURA ONDULATORIA E

CORPUSCOLARE DELLA

LUCE

Liceo Scientifico Statale Leonardo da Vinci – Alunno di quarta - A.S. 2018-19

Gli studi riguardo la natura della luce hanno visto nel corso dei secoli l’affermarsi di due modelli opposti:

Il modello ondulatorio Il modello corpuscolare

Il fisico inglese Isaac Newton compì diversi studi

di ottica in cui analizzò il fenomeno della

dispersione della luce che attraversa un prisma.

Secondo Newton la luce bianca era costituita da

particelle con masse differenti, a ciascuna delle

quali corrispondeva un colore. Attraversando un

prisma, ciascuna di queste masse subisce una

deviazione da parte di una forza F, la cui

angolazione e accelerazione dipende dalla

massa della particella stessa. Tale modello

corpuscolare permetteva di spiegare anche il

fenomeno della riflessione come urto elastico fra

le particelle di luce e l’oggetto riflettente, mentre

ancora incerta era la spiegazione della

rifrazione.

Data l’intuitività di questo modello, unita

all’autorità di cui godeva Newton grazie alla sua

opera «Philosophiae Naturalis Principia

Mathematica», in cui erano formulate le tre leggi

della dinamica, oltre che la legge di gravitazione

universale, il modello corpuscolare rimase

affermato fino all’inizio del XIX secolo.

Nello stesso periodo di Newton, nel 1691, Christian

Huygens pubblicò il «Traitè de la lumière», in cui la

luce era vista dal punto di vista ondulatorio, ossia era

descritta come un’ onda meccanica, che si propaga

attraverso oscillazioni dell’etere. In tale trattato

formulò il principio di Huygens, che descrive

l’evoluzione nel tempo delle onde. Esso stabilisce

che:

Ogni punto del fronte d’onda è sorgente puntiforme

di un’onda sferica secondaria, della stessa frequenza

dell’onda originale. Il fronte d’onda successivo è dato

dalla sovrapposizione delle onde secondarie, ed è ad

esse tangente. Il principio di Huygens permise di

spiegare contemporaneamente la riflessione e la

rifrazione applicato alla legge di Snell.

Tuttavia questo principio implicherebbe, oltre alla

formazione di un fronte d’onda progressivo, la

formazione di un fronte d’onda regressivo, ma

l’esperienza smentisce questa previsione. Occorrerà

attendere il 1826 con il fisico Augustin-Jean Fresnel

perché questa assenza del fronte regressivo venga

spiegata.

Il filosofo Cartesio nella sua opera «Dioptrique» (1637)

descrive la luce come un «movimento o pressione

trasmesso da una sorgente luminosa agli occhi

dell’osservatore attraverso l’etere (la «materia sottile»,

formata da corpuscoli, che costituisce il vuoto) , che si

propaga in maniera istantanea lungo linee chiamate

raggi luminosi»

A lui si deve una delle prime formulazioni della legge

della rifrazione della luce:

seni/sen r = vi/vr = n2/n1.

Secondo Cartesio il rapporto tra i seni degli angoli

riflesso e rifratto sarebbe costante e uguale al rapporto

tra le velocità della luce nei due mezzi.

Willebrord Snell nel 1621 a

formulò l’omonima legge che

descrive la rifrazione della

luce:

Sinα1 / sinα2 = n2/n1

Questa volta ad essere costante è il

rapporto tra gli indici di rifrazione dei

due mezzi, dove l’indice di rifrazione

n è uguale al rapporto tra la velocità

della luce nel vuoto e nel mezzo

considerato

La prima efficace contestazione della teoria

corpuscolare si ebbe con l’esperimento della doppia

fenditura del fisico Thomas Young, nel 1801.

In esso, Young fece passare la luce di una sorgente

luminosa attraverso due piccole fenditure praticate su

uno schermo, dietro al quale era posto un secondo

schermo su cui la luce sarebbe stata proiettata.

Secondo il modello corpuscolare, sul secondo

schermo si sarebbero dovuti proiettare due fasci

distinti, di uguale intensità. Ma il risultato

dell’esperimento contraddisse questa previsione: sul

secondo schermo, infatti, si formarono una serie di

frange luminose intervallate da frange scure. Questo

fenomeno poteva essere spiegato solo considerando

la luce come un’onda e sfruttando il principio di

Huygens: ognuna delle due fenditure si comporta

come una sorgente d’onda secondaria che compie

interferenza con l’altra, costruttiva nei punti in cui si

presentano frange luminose, distruttiva nei punti in

cui si presentano quelle scure.

L’esperimento fu fondamentale per l’affermarsi della

teoria ondulatoria della luce.

Un altro passo fondamentale fu compiuto

dal fisico James Clerk Maxwell (1831-1879).

Egli elaborò la prima teoria

sull’elettromagnetismo. Le onde

elettromagnetiche sono una combinazione

di campi elettrici e campi magnetici

variabili, che Maxwell teorizzò che si

propagassero nello spazio con le

caratteristiche del moto ondulatorio, il cui

comportamento è regolato dalle quattro

equazioni di Maxwell.

Egli misurò la velocità di propagazione di

tali onde basandosi su dati teorici,

ottenendo il risultato di circa 310.000.000

m/s, pressoché coincidente con la velocità

della luce misurata da Foucault nel 1850:

ciò lo portò a ritenere che la luce dovesse

essere essa stessa un’onda

elettromagnetica. La sua teoria fu in

seguito confermata sperimentalmente nel

1887 da Heirich Hertz.

CLERK MAXWELL

HEIRICH HERTZ

Le teorie di Maxwell

sembrarono aver

risolto la questione

della luce, ma le

nuove scoperte del

XX secolo la rimisero

in discussione.

Nel 1902, il fisico tedesco Philip Lenard scoprì il fenomeno dell’effettofotoelettrico:Una radiazione elettromagnetica che colpisce una superficie metallicaprovoca un’emissione di elettroni da parte di quest’ultima. Egli notò inoltreche aumentando la frequenza della radiazione, aumenta la velocità con cuivengono emessi gli elettroni, mentre ciò non accade se ad aumentare èl’intensità della radiazione.

Albert Einstein nel 1905 elaborò una legge che spiegasse l’effetto fotoelettrico, che gli valse il Premio Nobel per la fisica nel 1922.

Einstein si avvalse del modello della meccanica quantistica, proponendo che la luce, e le radiazioni elettromagnetiche, fosse composta da pacchetti di energia, i quanti. L’energia che i quanti forniscono agli elettroni permette loro di vincere la forza attrattiva che li lega al metallo di appartenenza, e tale energia è data dalla formula

E= h x f

dove h è la costante di Planck e f è la frequenza dell’onda

Questa formula spiegò così la relazione tra frequenza dell’onda e emissione di elettroni osservata da Lenard