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Domande principali Che cos la luce? Di cosa fatta? Una teoria dei fenomeni luminosi deve essere in grado, tra le altre cose, di spiegare: 1. la propagazione in linea retta della luce 2. perch la luce si riflette 3. perch la luce si rifrange

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Le due teorie sulla natura della luce A partire dalla seconda met del Seicento, la domanda sulla natura della luce ha dato luogo ad una controversia scientifica che durata per quasi due secoli. Due erano le teorie rivali: quella corpuscolare e quella ondulatoria.

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Newton e la teoria corpuscolare La teoria corpuscolare venne formulata da Isaac Newton (1642 - 1727).

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Huygens e la teoria ondulatoria La teoria ondulatoria fu formulata da Christian Huygens ( 1629 1695 )

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La teoria corpuscolare Secondo la teoria corpuscolare, la luce un insieme di minuscoli corpuscoli, i cosiddetti corpuscoli luce, che vengono emessi dalle sorgenti luminose. Tali corpuscoli si muovono ad una velocit molto elevata, che rende la forza di gravit trascurabile. Essi si muovono in linea retta, penetrano nei materiali trasparenti, rimbalzano come piccole palline sulle superfici e quando penetrano nel nostro occhio stimolano il senso della vista.

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La teoria ondulatoria La teoria ondulatoria sostiene invece che la luce unonda. Essa consiste quindi in un trasferimento di energia e non di materia. Le sue propriet sono simili a quelle delle onde elastiche, per esempio le onde che si propagano nellacqua o le onde sonore.

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La propagazione rettilinea secondo la teoria corpuscolare Le particelle di luce si muovono in linea retta cos come fanno tutte le particelle materiali in assenza di forze. Pertanto, anche i corpuscoli luminosi seguono il principio di inerzia.

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Einstein e la propagazione rettilinea della luce Scrive Einstein: Uno dei fatti ottici pi elementari che la luce si propaga in linea retta. Un esperimento rudimentale lo dimostra. Collochiamo uno schermo munito di un foro davanti ad una sorgente luminosa puntiforme. Sintende per tale una piccolissima sorgente luminosa, come ad esempio una minuscola apertura in una lanterna chiusa. Su una parete, situata ad una certa distanza dallo schermo, lapertura nel medesimo ci apparir come unarea luminosa, nettamente delimitata, sopra uno sfondo scuro. (Levoluzione della fisica)

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Foto della propagazione rettilinea della luce (1)

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Foto della propagazione rettilinea della luce (2)

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La riflessione secondo la teoria corpuscolare Il corpuscolo luce rimbalza contro una superficie solida e piana esattamente come fa una palla durante lurto elastico contro una superficie. Anche in questultimo caso langolo di incidenza uguale allangolo di riflessione.

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Einstein ed il fenomeno della riflessione della luce Dice Einstein: Anche la riflessione della luce prodotta dagli specchi viene spiegata dalla teoria corpuscolare assai semplicemente e per analogia con quanto si osserva nellesperimento meccanico di palle elastiche lanciate contro una superficie solida e piana. (Levoluzione della fisica)

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La rifrazione secondo la teoria corpuscolare (1) Consideriamo una particella di luce che passa da un mezzo meno denso ad uno pi denso. Per spiegare lavvicinamento alla normale, la teoria corpuscolare suppone che la particella, quando incontra la superficie di separazione, subisca una forza perpendicolare ad essa.

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La rifrazione secondo la teoria corpuscolare (2) La forza produce unaccelerazione e quindi una variazione di velocit v rivolta verso linterno del mezzo pi denso. La velocit della particella di luce si piega verso la normale ed il suo valore aumenta. La teoria corpuscolare prevede quindi che nel passaggio da un mezzo meno denso ad uno pi denso la velocit della luce aumenti.

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Einstein e la legge della rifrazione della luce Einstein dice: La spiegazione della rifrazione alquanto pi complicata. Tuttavia la possibilit di una rappresentazione meccanica manifesta, anche senza entrare in tutti i dettagli. Se ad esempio dei corpuscoli di luce colpiscono una superficie di vetro, plausibile che subiscano gli effetti di una forza esercitata su di essi dalle particelle materiali, ancorch possa sembrare strano che tale forza agisca soltanto nelle immediate vicinanze della materia. Come gi sappiamo, ogni forza agente su una particella in movimento ne modifica la velocit. Riducendo la forza esercitata sui corpuscoli luminosi a unattrazione perpendicolare alla superficie del vetro, il moto risultante seguir una via intermedia tra la direzione originale e la perpendicolare.

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La propagazione rettilinea secondo la teoria ondulatoria Le onde circolari prodotta sulla superficie dellacqua si propagano in direzione radiale. Ogni piccolo pezzo di onda si allontana dalla sorgente in linea retta.

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La riflessione secondo la teoria ondulatoria Unonda, prodotta sulla superficie dellacqua immergendo e sollevando il bordo di una riga, urta contro una barriera. Langolo tra la normale e la direzione di avvicinamento (perpendicolare al fronte dellonda incidente) e quello tra la normale e la direzione di allontanamento (perpendicolare al fronte donda riflesso) sono uguali.

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La rifrazione secondo la teoria ondulatoria (1) Consideriamo unonda che si propaga in una vasca dacqua e supponiamo che sia costituita da fronti donda rettilinei che passano da una zona A a una zona B in cui lacqua meno profonda. La diminuzione di profondit pu essere causata, per esempio, da una lastra appoggiata sul fondo del recipiente. In B londa avanza pi lentamente che in A, per il maggior attrito contro il fondo.

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La rifrazione secondo la teoria ondulatoria (2) E proprio questa diminuzione di velocit la causa che fa piegare i fronti donda. Infatti, non appena un fronte donda giunge sulla linea di separazione tra le due zone, la parte che attraversa il confine viaggia pi lenta dellaltra e resta indietro. Il fronte donda si spezza e man mano che avanza tende a disporsi lungo una direzione pi parallela rispetto alla linea di separazione.

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La rifrazione secondo la teoria ondulatoria (3) Poich la direzione di propagazione sempre perpendicolare ai fronti donda, vi un cambiamento di direzione al passaggio tra le due zone. La teoria ondulatoria prevede quindi che, passando da un mezzo meno denso ad uno pi denso, la velocit della luce diminuisca.

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Conclusioni (1) Le due teorie sembrano spiegare ugualmente bene i fenomeni luminosi che abbiamo preso in considerazione. C per un punto in cui le loro previsioni si discostano: la teoria corpuscolare afferma che la luce si muove pi velocemente in un mezzo pi denso che in uno meno denso, mentre la teoria ondulatoria sostiene il contrario.

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La misura della velocit della luce (1) Per decidere quale delle due teorie falsa, occorre misurare la velocit della luce in alcuni mezzi rifrangenti. Le misure eseguite da Fizeau verso la met dellOttocento mostrarono con chiarezza che la luce si propaga tanto pi lentamente quanto pi il mezzo denso.

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Fizeau (1819 1896)

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La misura della velocit della luce (2) La velocit della luce in un mezzo che ha indice di rifrazione assoluto n : v = c / n dove c la velocit della luce nel vuoto. Per esempio, la velocit della luce nel vetro 2/3 di quella nel vuoto.

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Conclusioni (2) Questi risultati convinsero definitivamente sulla validit della teoria ondulatoria. Unaltra conferma era venuta nei primi decenni dell800 dallo studio approfondito della diffrazione e dellinterferenza della luce.

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La diffrazione della luce (1) Siamo abituati a pensare che, quando la luce incontra un ostacolo, proietti al di l di esso unombra dai contorni netti e ben definiti. Per esempio, inviando un fascio di raggi paralleli su una fenditura, ci aspettiamo che proseguano solo quelli che non sono stati intercettati dallo schermo. Sopra e sotto il fascio che emerge dovrebbe formarsi unombra netta.

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La diffrazione della luce (2) Di solito succede cos. Ma se la fenditura molto stretta, si verifica un fenomeno curioso. Illuminiamo con un fascio di raggi paralleli e di un solo colore uno schermo opaco che ha una fenditura di larghezza regolabile.

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La diffrazione della luce (3) Se la fenditura abbastanza larga, su uno schermo posto al di l di essa osserviamo una striscia luminosa dai contorni ben definiti.

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La diffrazione della luce (4) Restringendo la fenditura, la striscia luminosa, invece di assottigliarsi si allarga. La luce invade cos quella che dovrebbe essere la zona dombra. Leffetto tanto pi pronunciato quanto pi la fenditura stretta.

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Applet sulla diffrazione da una fenditura http://www.ba.infn.it/~fisi2005/animazioni/ani mazione014.html

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La diffrazione della luce (4) Questo fenomeno, per cui la luce aggira gli ostacoli ed invade la zona dombra geometrica, si chiama diffrazione. Si tratta di un fenomeno tipico delle onde. Possiamo osservarlo, per esempio, con le onde che si propagano sulla superficie dellacqua.

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La diffrazione della luce (5) Nella figura che segue si notano due barriere che lasciano un passaggi libero, la cui larghezza pu essere aumentata o diminuita. I fronti donda rettilinei, incontrando le due barriere, proseguono al di l dellostacolo. Se la fenditura larga, le onde disegnano due zona dombra ben definite leggermente increspate ai bordi. Restringendo lapertura, la perturbazione si apre a ventaglio e le onde invadono la zona dombra geometrica.

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Diffrazione da ostacoli Osserviamo lo stesso fenomeno se mettiamo sul cammino delle onde un ostacolo al posto della fenditura. Dietro un ostacolo grande si forma unombra netta, mentre dietro un piccolo ostacolo le onde si incurvano, invadendo quella che dovrebbe essere la zona dombra.

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Conclusioni sulla diffrazione (1) La diffrazione si manifesta in modo evidente quando le dimensioni dellapertura (o dellostacolo) sono paragonabili o minori rispetto alla lunghezza donda della perturbazione. In particolare: - Quando la lunghezza donda grande rispetto alla dimensione dellapertura (o dellostacolo) si ha diffrazione - Quando la lunghezza donda piccola rispetto alla dimensione dellapertura (o dellostacolo) non c praticamente diffrazione e ci sono ombre nette.

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Conclusioni sulla diffrazione (2) Anche se di solito non ci facciamo caso, assistiamo ogni giorno a fenomeni di diffrazione. Riusciamo a sentire chi ci chiama anche se siamo dietro langolo, per esempio dietro un muro che fa da barriera fra noi e laltra persona. Questo possibile perch le onde sonore, oltre che riflettersi, diffrangono incontrando ostacoli e aperture, e riescono cos ad aggirarli.

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Conclusioni sulla diffrazione (3) E difficile per vedere la diffrazione delle onde luminose. Al contrario, siamo colpiti dalle ombre nette che disegna la luce quando incontra un ostacolo. Evidentemente gli ostacoli e le aperture su cui incide la luce sono grandi rispetto alla sua lunghezza donda. Dobbiamo quindi aspettarci che la luce abbia una lunghezza donda molto piccola rispetto alle dimensioni degli oggetti che fanno parte della vita quotidiana.

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La lunghezza donda della luce In effetti, la lunghezza donda della luce circa uguale a 0,000005 m. Questo ci spiega perch impossibile vedere oggetti estremamente piccoli. Illuminandoli con la luce naturale essi non formano ombre nette, ma rimandano immagini confuse ( come quelle della fenditura). Non possiamo quindi vedere direttamente gli atomi, che hanno una dimensione di 10^(-10) m, neppure con laiuto di un microscopio potentissimo. La luce che li illumina non in grado di restituirci una loro immagine chiara, ma solo una complessa figura di diffrazione.