Natura fisica della luce

Natura fisica della luce
La luce in senso stretto è la radiazione elettromagnetica
percepibile con l’occhio umano. In senso fisico più ampio,
la luce si riferisce ad una maggiore superficie di radiazione
elettromagnetica, che si trova tra le radiazioni microonde
e i raggi X. Oltre alla luce visibile, questa definizione
comprende anche la luce a infrarossi e i raggi ultravioletti.
La luce pertanto non è trasferita in piccole quantità
di dimensioni a piacere ma è trasportata attraverso la
trasmissione di piccolissime unità. Planck è stato il primo
a scoprire questo fenomeno, coniando il concetto di
« quanto di azione » (costante di Planck). In analogia alla
teoria delle onde, ogni quanto di luce possiede un’energia
specifica che corrisponde a quella del relativo colore
o della relativa lunghezza d’onda. Il singolo quanto di
luce è indivisibile, pertanto la luce monocromatica è
rappresentabile come multiplo di un tale quanto.
Dal punto di vista fisico, il fenomeno luce è descrivibile
attraverso due modelli essenziali: da un lato la luce
obbedisce alle leggi della teoria delle onde in aree
macroscopiche. Per questo motivo la luce monocromatica
può essere descritta come irradiazione elettromagnetica
continua di una determinata frequenza e intensità.
Ai diversi tipi di luce (IR, luce visibile, UV, ma anche i singoli
colori) possono essere associate frequenze e lunghezze
d’onda specifiche. Sulla base di queste lunghezze d’onda,
ordinate, si crea il noto spettro della luce visibile, dove la
frequenza dei singoli colori corrisponde al valore energetico
relativo della luce. In termini relativi, la luce rossa ha meno
energia della luce blu. La luce a infrarossi ha anche molta
meno energia rispetto alla luce ultravioletta.
Entrambe le teorie sono legittime e si distinguono
soprattutto attraverso i criteri che attribuiscono loro validità:
tale situazione è denominata dualismo onda-particella.
Poiché questo filo conduttore prende in considerazione
solo l’ambito macroscopico, la teoria ondulatoria sarà
utilizzata prevalentemente a seguire.
In un approccio ancora più ampio, la luce è rappresentabile
anche attraverso un modello di radiazione semplificato.
Qui i raggi di luce sono raffigurati in una linea di collegamento
tra fonte luminosa e un punto di destinazione. Con questo
semplice modello è possibile descrivere con precisione
già numerosi fenomeni ottici rilevanti come riflessione,
rifrazione e dispersione.
Campo elettrico
Lunghezza d’onda
Come già menzionato, è possibile rappresentare la luce
monocromatica attraverso una specifica lunghezza d’onda.
Le onde luminose sono liberamente miscelabili secondo
il principio della sovrapposizione.
Campo
magnetico
Velocità della luce
Un altro approccio si basa sulle caratteristiche fisicoquantistiche della luce: se si abbandona il campo
macroscopico, si evidenzia la natura discontinua della luce
(e di altre radiazioni elettromagnetiche).
L’energia d’irraggiamento, come nella teoria delle onde,
non è trasmessa in modo continuo. Inoltre, l’energia
appare caratterizzata da una determinata granulometria.
Ultravioletti
Infrarossi
400 nm
450 nm
500 nm
550 nm
600 nm
650 nm
700 nm
750 nm
Settore visibile all'uomo
Radiazione
cosmica
Radiazione gamma
Radiazione
a ultravioletti
Raggi X duri,
medi e morbidi
Radiazione
a infrarossi
Radiazione
Terahertz
Radar
Forno UHF
UKW
Onde medie
microonde
VHF
Onde corte Onde lunghe
Microonde
1 fm
Lunghezza
d’onda in m
Frequenza
in Hz (Hertz)
114
10
1 pm
–15
10
23
10
–14
10
22
10
–13
10
21
10
–12
10
1Å
10
20
1 zettahertz
–11
10
19
10
1 nm
–10
10
18
10
–9
10
17
1 exahertz
1 μm
10
–8
10
16
10
–7
10
15
10
1 mm
–6
10
14
1 petahertz
10
–5
10
13
10
–4
10
10
12
10
Radio
1 cm
–3
11
1 terahertz
10
1m
–2
10
10
Correnti alternate
a elevata, media e bassa
frequenza
10
–1
10
10
9
1 km
0
10
10
8
1 gigahertz
1
10
10
7
2
10
10
6
1 Mm
3
10
10
5
1 megahertz
4
10
10
4
5
10
10
3
6
10
10
2
1 kilohertz
7
2.02 Informazioni sul tema luce e illuminazione · Natura fisica della luce
Mescolando i singoli componenti monocromatici,
si crea la luce mista. Se si considera la composizione
spettrale di tale luce, anche dopo la miscela è
possibile identificare e separare le singole parti
monocromatiche. Le caratteristiche dell’onda dei tipi
di luce utilizzati in origine rimangono pertanto immutate.
La miscela di singole parti monocromatiche per una
luce policromatica può essere dilatata a piacere.
In termini molto semplificati: se uno spettro contiene
luce di tutte le lunghezze d’onda visibili e le loro
intensità sono adeguatamente distribuite, tale luce
ci appare di colore bianco. Il bianco ideale è qui
rappresentato dallo spettro del sole.
La qualità di una fonte luminosa artificiale deve essere
sempre confrontabile con le caratteristiche della luce
solare perché i nostri occhi, in conseguenza di uno
sviluppo durato milioni di anni, sono adattati a tale
qualità della luce.
La luce solare è di gran lunga la fonte di energia essenziale
per tutte le forme di vita sulla terra. Ciò significa,
semplificando, che i produttori (piante, alghe etc.), con
l’aiuto dei processi di fotosintesi, trasformano energia
e materie prime inorganiche in biomassa. Molto spesso
è osservabile una fotosintesi a base di clorofilla. In questo
processo di sintesi, dall’anidride carbonica e dall’acqua
si produce lo zucchero. Questo zucchero (glucosio) avvia
altri processi in quanto fornisce energia alla respirazione
cellulare. I consumatori (tutti gli animali, i funghi e l’uomo)
consumano i produttori, partecipando pertanto in modo
indiretto alla generazione di energia attraverso fotosintesi.
Oltre all’apporto di energia, la luce solare, in quanto uno
dei fenomeni naturali dominanti, ha anche altre relazioni
profonde con i sistemi biologici.
Di conseguenza, il ritmo giorno-notte di 24 ore rappresenta
la scansione del tempo essenziale della natura. Numerosi
processi degli esseri viventi, anche dell’uomo, sono
pertanto influenzati dalle diverse condizioni della luce
solare nel corso della giornata. Anche le stagioni delle
regioni lontane dall’equatore sono legate direttamente
al fenomeno della luce attraverso l’irraggiamento solare
variabile.
Intensità della radiazione solare
[ W / m2 μm ]
2000
corpo nero ideale · 5900 K
irraggiamento solare extra-terrestre
1500
irraggiamento solare terrestre
1000
500
500
UV
1000
settore visibile
1500
IR
2000
Lunghezza d’onda [ nm ]
115