Caratteristiche della luce

La luce è il fenomeno fisico che permette la visione degli oggetti. Lo studio della luce, associato a quello dei meccanismi della visione, è antichissimo, ma solo a partire dalla fine del XVII sec. cominciarono a essere elaborati modelli su basi scientifiche nel tentativo di interpretare la natura dei fenomeni luminosi, ponendo così le fondamenta dell'ottica. Alla fine del XVII sec. coesistevano due teorie interpretative della luce: una teoria ondulatoria e una teoria corpuscolare.

Secondo la teoria ondulatoria, dovuta al fisico olandese C. Huygens (1629-1695), la luce veniva considerata come un insieme di onde dovute alla vibrazione di un mezzo non precisato, l'etere che riempiva l'Universo; alle sue differenze di frequenza erano associati i diversi colori.

La teoria corpuscolare, formulata da Newton più o meno nello stesso periodo, sosteneva che la luce fosse composta di corpuscoli di massa diversa (da cui deriverebbe la differenza di colore), che si propagano in linea retta.

Inizialmente la teoria corpuscolare di Newton godette di maggiori favori per la sua semplicità e per la difficoltà di definire e misurare l'etere, ma quando, all'inizio del XIX sec., vennero studiati i fenomeni dell'interferenza e della diffrazione, tipici dei fenomeni ondulatori, la teoria ondulatoria si impose su quella corpuscolare. Nella seconda metà dell'800, scoprendo che il campo elettromagnetico si propaga per onde (dovute alle oscillazioni del campo elettrico e del campo magnetico) la cui velocità di propagazione nel vuoto coincide con la velocità della luce , Maxwell avanzò l'ipotesi tuttora valida che la luce fosse un tipo di onda elettromagnetica appartenente a un particolare intervallo di frequenza. Poiché i campi elettrico e magnetico vibrano su piani perpendicolari tra loro e perpendicolari alla direzione del raggio, le onde luminose sono onde trasversali, che si propagano in linea retta nel vuoto alla velocità di circa 300.000.000 m/s.

La luce rappresenta quella porzione di radiazione elettromagnetica alla quale è sensibile l'occhio umano, le cui frequenze sono comprese tra circa 4,1^.10¹⁴ Hz (estremo violetto) e circa 7,5^.10¹⁴ Hz (estremo rosso): fra questi estremi sono riunite le frequenze corrispondenti ai colori dello spettro luminoso (v. fig. 23.1). Comunemente si indica con luce bianca la luce che si riceve dal Sole, o quella emessa da una lampadina a incandescenza: questa luce è in realtà formata dall'insieme di tutti i colori dello spettro .

La parte della fisica che studia i fenomeni connessi all'emissione, alla propagazione e alla rivelazione della luce è l'ottica. Le caratteristiche della luce sono quelle tipiche della propagazione per onde e, nell'interazione con la materia, la luce subisce i fenomeni della riflessione, della rifrazione, della diffrazione e dell'interferenza. Per lo studio dei fenomeni della riflessione e della rifrazione, che si verificano quando la luce incontra una superficie uniforme, risulta molto comodo servirsi di un modello semplificato, che si basa sull'ipotesi che la luce si propaghi in linea retta e che i raggi rettilinei siano indipendenti tra loro, trascurando il fatto che si tratti di un'onda. Questa semplificazione costituisce il presupposto per lo studio della luce in un indirizzo dell'ottica detto ottica geometrica. Nell'altro indirizzo, detto ottica ondulatoria (di cui fa parte anche la trattazione della luce intesa come fenomeno elettromagnetico), si assume che la luce si propaghi sotto forma di onde trasversali e il raggio luminoso è definito come la traiettoria perpendicolare alla direzione dell'onda. L'ottica geometrica rappresenta quindi un'approssimazione dell'ottica ondulatoria, utile per spiegare in particolare i fenomeni luminosi nei quali le dimensioni dei sistemi che interagiscono con la luce sono molto maggiori della sua lunghezza d'onda (per esempio, le lenti e gli specchi).

Le unità di misura della luce

I parametri che caratterizzano la radiazione luminosa comprendono, oltre alla frequenza (misurata in Hz) e alla lunghezza d'onda (misurata in m), l'energia (misurata in J) e la potenza (misurata in W, dove 1 W = 1 J/1 s).

Sperimentalmente si osserva che la luce viene emessa dai corpi caldi, portati a temperature sufficientemente elevate, e questi possono essere considerati le sorgenti luminose (o corpi luminosi); il nostro occhio percepisce anche i corpi che riflettono la luce emessa dalle sorgenti (o corpi illuminati). Il Sole, per esempio, è una sorgente di luce, e quindi un corpo luminoso, mentre i pianeti sono visibili perché riflettono la luce emessa dal Sole e quindi sono corpi illuminati. Per stabilire la quantità di luce emessa o intercettata da un corpo si definiscono nel Sistema Internazionale delle grandezze misurabili e le relative unità di misura.

Si definisce intensità luminosa la quantità di energia emessa da un corpo luminoso (una sorgente di luce) nell'unità di tempo e in tutte le direzioni. La sua misura è la candela (simbolo cd), corrispondente all'intensità luminosa emessa da una lampada campione depositata all'Archivio Pesi e Misure di Parigi (pari a 1/60 dell'intensità luminosa emessa da un centimetro quadro di un corpo portato alla temperatura di fusione del platino a pressione standard).

Per i corpi illuminati si definisce intensità di illuminazione l'energia che colpisce un'unità di superficie nell'unità di tempo e si misura in lux (simbolo lx), definito come l'illuminazione prodotta da una sorgente luminosa di intensità pari a una candela su una superficie perpendicolare alla direzione dei raggi luminosi, posta alla distanza di 1 metro dal corpo. L'intensità di illuminazione diminuisce man mano che la superficie illuminata si allontana dalla sorgente di luce.