La propagazione della luce

L’incontro tra luce e materia comporta sempre un’interazione. Da un lato le sostanze riflettono, rifrangono, alterano la luce. Dall’altro, quando la luce colpisce le sostanze, agisce su di esse in diversi modi:

• produce trasformazioni chimiche nelle sostanze (lastre fotografiche, foglie delle piante, abbronzatura …)
• può causare l’emissione di elettroni e può far sì che la medesima emetta luce
• può causare un innalzamento della temperatura, che viene riemessa sotto forma di calore

La luce può essere riemessa nel visibile soltanto per unità di energia definite chiamate quanti.

Le proprietà cromatiche degli oggetti dipendono dalla risposta degli elettroni alle radiazioni elettromagnetiche. Noi vediamo gli oggetti che ci circondano perché riemettono una frazione della luce proveniente da qualche sorgente come il solo o una lampada.

Quando questa luce colpisce la superficie di un oggetto può essere riemessa senza variazioni di frequenza oppure essere trasformata in agitazione termica. Onde elettromagnetiche non visibili ad alta frequenza possono essere riemesse con minor frequenza nella banda del visibile, come avviene nella fluorescenza (*).

Gli elettroni degli atomi colpiti dalla luce compiono vibrazioni (di ampiezza dell’ordine dei nanometri (**). Luci e colori nascono da queste piccolissime vibrazioni degli elettroni.

(*) Fluorescenza: La fluorescenza è la proprietà di alcune sostanze di riemettere  le radiazioni elettromagnetiche ricevute, in particolare di assorbire radiazioni nell’ultravioletto ed emetterla nel visibile.

(**) nanometro: Il nanometro (simbolo nm) è un’unità di misura di lunghezza, corrispondente a 10⁻⁹ metri ossia un miliardesimo di metro, che è pari a un milionesimo di millimetro.

Una sorgente luminosa è un corpo che emette luce propria (il sole, una lampadina, una candela…). Se la sorgente luminosa appare piccola, ad esempio una lampadina, si chiama sorgente luminosa puntiforme.

Un corpo illuminato è un corpo che non emette luce propria, ma diffonde la luce ricevuta dalle sorgenti luminose. La Luna, per esempio, è visibile perché è un corpo illuminato dal Sole

La luce si propaga a una velocità finita che dipende dal mezzo che attraversa, sempre in linea retta.

• nel vuoto, la velocità della luce è di 299 792 Km/s (approssimata in 300 000 Km/s)
• nell’ acqua a circa 225 408 Km/s
• nel vetro a 185 057 Km/s.

La luce si comporta diversamente a seconda dei corpi che colpisce.

• Un Corpo trasparente (vetro) viene completamente attraversato dalla luce; permette di vedere tutto quello che si trova dietro.
• Un corpo traslucido (carta velina) lascia passare la luce solo in parte e permette di vedere tutto quello che vi si trova dietro, ma poco distintamente.
• Un corpo opaco, come un muro, non lascia passare alcun raggio di luce.

Assorbimento, riflessione e trasmissione sono i fenomeni che avvengono quando la luce interagisce con la materia: quando l’energia radiante incide su un corpo, una parte viene assorbita, una parte viene riflessa e una parte trasmessa e per la legge di conservazione dell’energia, la somma delle quantità di energia rispettivamente assorbita, riflessa e trasmessa è uguale alla quantità di energia incidente.

Quando la luce colpisce un corpo opaco, una parte dei raggi viene trattenuta dal corpo  mentre il rimanente rimbalza all’indietro permettendo così di vedere il corpo.

La parte trattenuta  da luogo all’ assorbimento della luce da parte del corpo.

Il fascio di luce non assorbito da luogo alla riflessione  se  il corpo opaco ha una superficie liscia. Il fascio di luce  rimbalza completamente, diventando visibile all’occhio umano.

La diffusione si ha invece quando il corpo opaco ha una superficie ruvida e il fascio di luce rimbalza e si diffonde in direzioni diverse.

Nel primo caso si parla di Riflessione speculare, nel secondo di Riflessione diffusa

L’assorbimento è la capacità di un materiale di assorbire l’energia associata alla radiazione elettromagnetica che si propaga all’interno di esso. Si tratta dell’energia dei fotoni che viene ceduta agli elettroni, atomi e molecole del materiale. L’energia del campo elettromagnetico si trasforma in questo modo in energia interna del materiale, come ad esempio la sua energia termica.

L’assorbimento dipende sia dalla natura del materiale, sia dalla frequenza della radiazione

L’assorbimento dipende sia dalla natura del materiale, sia dalla frequenza della radiazione. Pertanto, l’assorbimento di un materiale è spesso utilizzato per conoscere la natura del materiale stesso: il suo spettro di assorbimento (*) indica le frequenze che vengono assorbite e consente, in linea di massima, l’identificazione degli atomi e delle molecole che lo compongono. Un caso importante nell’assorbimento di radiazione è il corpo nero, in cui la radiazione incidente è completamente assorbita (e non vi è riflessione).

Esistono diverse grandezze utilizzate per quantificare l’assorbimento della radiazione fra le quali citiamo  il coefficiente di assorbimento (**)

(*) spettro di assorbimento: lo spettro di assorbimento di un materiale mostra la frazione di radiazione elettromagnetica assorbita in un certo intervallo di frequenze.

(**)  coefficiente di assorbimento:  definisce il limite entro il quale un dato materiale assorbe energia (per esempio: radiazione elettromagnetica. E’ una proprietà del materiale.

In fisica la riflessione è il fenomeno per cui un’onda, che si propaga lungo l’interfaccia tra differenti mezzi, cambia di direzione a causa di un impatto con un materiale riflettente.

Quando un raggio di luce (raggio incidente) colpisce una superficie opaca e liscia come uno specchio, viene rinviato in una particolare direzione e prende il nome di raggio riflesso. Gli angoli formati dai due raggi con la perpendicolare al punto in cui la luce incontra lo specchio si chiamano rispettivamente angolo d’incidenza e angolo di riflessione. Questi due angoli si trovano sullo stesso piano e sono uguali

La riflessione diffusa (o Diffusione o Scattering), consiste nella riemissione in molte direzioni di u n fascio di luce che colpisce un insieme di particelle presenti in un sistema che può essere allo stato liquido, solido o gassoso.

A seconda delle particelle disperse e a seconda della lunghezza d’onda della radiazione incidente, la distribuzione angolare della luce incidente è diversa; diversa è quindi l’intensità della luce diffusa al variare dell’angolo di diffusione.

Vi sono diversi tipi di diffusione ma i più importanti sono:

• la diffusione di Rayleigh
• la diffusione di Mie
• la diffusione di Tyndall

La RIFRAZIONE si ha quando un raggio luminoso passando da un mezzo trasparente a un altro subisce una deviazione della traiettoria.

Si può osservare, ad esempio, quando metti una cannuccia in un bicchiere pieno d’acqua: la  cannuccia appare spezzata. Il fenomeno si verifica perché la luce, passando dall’aria all’acqua (che hanno densità diverse), cambia velocità e quindi anche l’angolo d’ inclinazione rispetto alla perpendicolare alla superficie dell’acqua

Il raggio luminoso che arriva sulla superficie di separazione tra aria e acqua si chiama raggio incidente, il raggio deviato si chiama raggio rifratto.

Gli angoli che i due raggi formano con la perpendicolare alla superficie di separazione nel punto di incidenza si chiamano rispettivamente angolo d’incidenza e angolo di rifrazione.

I due angoli non sono uguali perché hanno un’inclinazione diversa.

La rifrazione si verifica perché muta la velocità di propagazione della luce quando il raggio passa da un mezzo a un altro con densità differente.

Se il mezzo in cui entra il raggio ha una densità maggiore rispetto al precedente ( es. da aria ad acqua ) allora il raggio devia e si avvicina alla perpendicolare della superficie.

Se il mezzo in cui entra il raggio ha una densità minore rispetto al precedente ( es. da acqua ad aria ) allora il raggio si avvicina alla superficie di separazione.