FISICA MODERNA
Dott. Patimisco Pietro Dott. Sampaolo Angelo ALTERNANZA SCUOLA-LAVORO
LEZIONE 6 13/03/2017
CHE COS’E’ LA LUCE?
?
BREVE STORIA DELLA LUCE
In principio Dio creò il cielo e la terra.
La terra era informe e deserta e le tenebre ricoprivano l'abisso e lo spirito di Dio aleggiava sulle acque.
Dio disse: «Sia la luce!». E la luce fu.
Dio vide che la luce era cosa buona e separò la luce dalle tenebre e chiamò la luce giorno e le tenebre notte.
E fu sera e fu mattina: primo giorno.
BREVE STORIA DELLA LUCE
Archita - Taranto, 428 a.C.
«i nostri occhi emettono un
qualcosa molto simile ad un
fluido (un fuoco invisibile) che
colpendo gli oggetti circostanti
ritorna poi all’occhio»
BREVE STORIA DELLA LUCE
Galileo Galilei - Pisa, 1564
• Galileo fu uno dei primi a tentare un
esperimento sulla misura della velocità della luce
• Voleva calcolarla registrando il tempo che la luce emessa da una lanterna a pochi Km di distanza, impiegava per raggiungere il suo occhio.
• Inutile dire che il risultato fu nullo a causa delle brevi distanze e dell’alta velocità della luce.
Volendola misurare, considerava finita la velocità della luce per altri invece non era cosi, poiché assegnavano al fenomeno luminoso una propagazione istantanea.
BREVE STORIA DELLA LUCE
Olaf Röemer - Copenaghen, 1676
• Provò sperimentalmente che la luce si propaga a velocità finita e ne fornì un primo valore.
• La determinazione di Röemer si basò sullo studio delle eclissi del satellite Io di Giove arrivando ad un valore pari a 210.000 km/s
• Il valore attualmente accettato è di 299.792 km/s. Una bella differenza, ma sempre un buon punto di partenza.
BREVE STORIA DELLA LUCE
Isaac Newton - Londra, 1704
• Newton propose e sostenne un modello che materializzava la luce in piccoli corpuscoli che si propagavano in linea retta
teoria corpuscolare
BREVE STORIA DELLA LUCE
Isaac Newton - Londra, 1704
• La luce è composta da piccolissime particelle di materia emesse da sostanze luminose in tutte le direzioni.
• Tali particelle vengono liberate dai corpi luminosi e si propagano in linea retta (in un mezzo omogeneo).
• La riflessione è spiegata tramite il rimbalzo delle particelle nel momento dell’urto con una superficie.
• La rifrazione è dovuta alle forze che le molecole di una sostanza esercitano sulle particelle di luce deviandone la direzione.
• La luce è più veloce nei corpi rispetto al vuoto.
• Luci di colori diversi vengono rifratte con angoli differenti.
BREVE STORIA DELLA LUCE
Isaac Newton - Londra, 1704
Newton riuscì a spiegare:
1. RIFLESSIONE
BREVE STORIA DELLA LUCE
Isaac Newton - Londra, 1704
Newton riuscì a spiegare:
2. RIFRAZIONE
BREVE STORIA DELLA LUCE
Isaac Newton - Londra, 1704
Newton riuscì a spiegare:
3. COLORE
• Newton analizzò ciò che accadeva quando la luce solare attraversava un prisma: lasciò
filtrare, attraverso una fessura, la luce del sole che incideva prima su un prisma e poi su uno schermo bianco posto ad alcuni metri di
distanza.
• A causa del fenomeno della rifrazione sullo schermo appariva un’immagine leggermente colorata di blu ad un estremo e di rosso
• Newton chiamò l’immagine spettro
Isaac Newton - Londra, 1704
Newton riuscì a spiegare:
4. PROPAGAZIONE DELLA LUCE DAL SOLE ALLA TERRA
BREVE STORIA DELLA LUCE
« la luce è movimento capace di eccitare la visione »
BREVE STORIA DELLA LUCE
Christiaan Huygens – L’ Aia, 1700
• Huygens poneva come prova incontrastabile « l’incontro tra due raggi di luce che non costituivano alcun tipo di “disturbo” durante la loro unione ».
• Ciò permetteva di concludere che la luce non potesse essere costituita da particelle.
• Sarebbe, piuttosto, dovuta essere vibrazione, allo stesso modo del suono.
TEORIA ONDULATORIA DELLA LUCE
La luce è un’onda elettromagnetica
7. Spettro elettromagnetico
• La parola spettro ci richiama alla mente la striscia di colori che Newton ottenne facendo passare la luce solare attraverso un prisma ottenendo così un fascio di luce (costituito dal rosso, arancio, giallo, verde, blu, indaco, violetto) che non sono altro che i colori che vediamo quando sorge l’arcobaleno.
• Questo fenomeno di scomposizione della luce
bianca fu definito dispersione.
TEORIA ONDULATORIA DELLA LUCE
TEORIA ONDULATORIA DELLA LUCE
TEORIA ONDULATORIA DELLA LUCE
Sovrapposizione e interferenza
TEORIA ONDULATORIA DELLA LUCE
Sovrapposizione e interferenza
• Si ha interferenza solo se le sorgenti di luce sono monocromatiche (stessa lunghezza d’onda) e coerenti (la relazione tra di fase tra le sorgenti deve essere costante nel tempo e nello spazio)
• Quando queste condizioni sono soddisfatte si ha interferenza costruttiva
quando le due onde sono in fase, e distruttiva quando sono in
opposizione di fase)
TEORIA ONDULATORIA DELLA LUCE
Sovrapposizione e interferenza
La figura mostra che si ha interferenza costruttiva quando la differenza di cammino tra le onde è uguale a un numero intero di lunghezze d’onda;
quando i cammini differiscono di un numero semi-intero di lunghezze d’onda l’interferenza è distruttiva
TEORIA ONDULATORIA DELLA LUCE
Sovrapposizione e interferenza
TEORIA ONDULATORIA DELLA LUCE
Diffrazione
Supponiamo un’onda
luminosa che impatta su un’ostacolo di
dimensioni molto grandi rispetto alla lunghezza
d’onda della radiazione
TEORIA ONDULATORIA DELLA LUCE
Diffrazione
Supponiamo un’onda luminosa che impatta su un’ostacolo di
dimensioni comparabili rispetto
alla lunghezza d’onda della radiazione
TEORIA ONDULATORIA DELLA LUCE
Diffrazione
• Huygens propose di suddividere la
fenditura in tante piccole fenditure
• Ciascuna fenditura può essere
considerata come una sorgente di onda luminosa
• Le singole sorgenti «virtuali»
interferiscono tra di loro mentre si
propagano
TEORIA ONDULATORIA DELLA LUCE
Diffrazione
TEORIA ONDULATORIA DELLA LUCE
Diffrazione
��� �=� �
�
l primo minimo o prima frangia scura
θ
�=±1, ± 2, ± 3, …
TEORIA ONDULATORIA DELLA LUCE
Diffrazione
BREVE STORIA DELLA LUCE
Interferenza e diffrazione
BREVE STORIA DELLA LUCE
Interferenza e diffrazione
BREVE STORIA DELLA LUCE
Interferenza e diffrazione
Newton modificando parzialmente la sua teoria arriva ad affermare nel terzo volume dell’OPTIKS:
“È difficile sapere se la luce sia un’emissione di corpuscoli o se sia solo un movimento astratto, una certa forza che si propaga da sé”
Mattacchione Newton aveva effettivamente concepito un primo embrione molto poco sviluppato, rozzo ed approssimato di una teoria in cui bisognava necessariamente tener conto della natura corpuscolare e di quella ondulatoria a seconda del fenomeno che si considerava…
UNA TEORIA ONDA-PARTICELLA
BREVE STORIA DELLA LUCE
BREVE STORIA DELLA LUCE
La teoria ondulatoria di Huygens invece si può fondare sulle ipotesi seguenti:
• La luce è costituita da un insieme di onde meccaniche che si propagano in linea retta a velocità finita
• Le vibrazioni dei corpi luminosi producono tali onde.
Le onde per propagarsi hanno bisogno di un mezzo materiale
COME FA LA LUCE A PROPAGARSI NEL VUOTO? O meglio,
come fa la luce dal Sole a giungere a noi, ben sapendo che
deve attraversare regioni dello spazio con una densità di
molecole bassissima?
• L’ affermarsi della teoria ondulatoria della luce pose l'esigenza di postulare un mezzo materiale per la loro propagazione.
BREVE STORIA DELLA LUCE
CARATTERISTICHE DELL’ETERE:
1. ll fatto che le onde luminose siano onde trasversali richiedeva un etere solido, invece che liquido o gassoso
2. L'elevatissima velocità di propagazione della luce richiedeva una rigidità corrispondentemente elevata per l'etere
3. l'etere dovesse restare immobile su distanze, appunto, astronomiche.
4. Non si poteva rivelare alcuna resistenza al moto dei corpi da poter attribuire all'etere.
BREVE STORIA DELLA LUCE
Esperimento di Michelson e Morley
• Nel
1881
Albert Abraham Michelson, per verificare se si trovasse prova dell'etere, decise di misurare la velocità della luce in diverse direzioni usando uno strumento da lui stesso ideato che successivamente prese il nome di interferometro di Michelson.• L'interferometro permette di suddividere un fascio di luce in due fasci che viaggiano seguendo cammini perpendicolari e vengono poi nuovamente fatti convergere su un rivelatore.
• Un eventuale etere avrebbe comportato una diversa velocità della luce nelle varie direzioni interferenza al ruotare dell'apparato rispetto alla direzione dell’etere.
BREVE STORIA DELLA LUCE
L’ ETERE NON ESISTE
LE ONDE LUMINOSE SONO LE UNICHE ONDE IN GRADO DI PROPAGARSI SENZA LA PRESENZA DI UN MEZZO
MATERIALE!
Sia Newton che Huygens avevano portato plausibili e ottime spiegazioni del comportamento della luce in varie situazioni:
Newton (1730): propagazione rettilinea della luce, riflessione e rifrazione
Huygens: fenomeni ondulatori della luce, interferenza e diffrazione (Cartesio 1637, Huygens 1678)
Nell’esperienza della doppia fenditura se la luce ha natura corpuscolare si dovrebbero vedere sempre due
fenditure luminose, invece si osserva una serie di striscie luminose.
A fine ‘800 l’eq. di Maxwell e le misure interferometriche con la luce (Michelson, Fizeau, Young e Fresnel) avevano dimostrato completamente la natura ondulatoria della luce spiegando sia la propagazione che riflessione e rifrazione
BREVE STORIA DELLA LUCE
MODELLO DELL’ATOMO
Niels Bohr – Copenaghen, 1913
PROPOSE IL PRIMO MODELLO
DELL’ATOMO
MODELLO DELL’ATOMO
• L’atomo è composto da un nucleo formato da particelle positive (protoni) e particelle neutre (neutroni)
• Particelle cariche negativamente (elettroni) ruotano attorno al
nucleo perché attratti dalle particelle positive
• Gli elettroni si muovono su orbite approssimabili a
circonferenze
MODELLO DELL’ATOMO
• Fornendo esternamente energia, l’elettrone può passare da
un’orbita interna ad una più esterna
• Se l’energia fornita è
sufficientemente alta, l’elettrone può raggiungere l’orbita più
periferica per poi essere completamente libero
dall’attrazione del nucleo… in questo caso l’elettrone è
LIBERO
EFFETTO FOTOELETTRICO
Illuminiamo un materiale per il quale sia relativamente
facile dare energia tramite la quale estrarre gli elettroni
(metallo)
Gli elettroni estratti daranno origine ad una corrente
Variare i parametri della luce (intensità) e studiarli in
funzione della corrente
Cambiare materiale e vedere
cosa cambia
EFFETTO FOTOELETTRICO
EFFETTO FOTOELETTRICO
Spiegazione di Albert Einstein
La Luce porta una energia in pacchetti discreti (ovvero non ha valori continui ma discreti),
è localizzata nello spazio
Si comporta come una particella un quanto che viene chiamato fotone
In altre parole, la luce è un’onda ma l’energia è distribuita in pacchetti.
Ogni pacchetto di energia è un fotone
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h costante di Planck
Questo insieme al calcolo della costante h, valse il Nobel nel 1921 ad Einstein
Onda, la luce è onda elettromagnetica
Sovrapposizione, Interferenza e Diffrazione
Particella
Fotoni
Collisioni con elettroni nell’effetto fotoelettrico
Quindi: tavolta Particella, talvolta Onda
La teoria del fotone e la teoria ondulatoria della luce sono complementari !
