La luce , l’ onda e la particella: sintesi originale di scienze integrate. Paolo Manzelli LRE@blu.chim1.unifi.it ; www.chim1.unifi.it/group/education Sappiamo che la luce è una sensazione del nostro cervello che viene stimolata da una reazione fotochimica nella retina dell’ occhio, che attiva la sensazione cerebrale la quale puo’ ricomparire anche durante la notte al buio durante il sogno, attivata in tal caso da processi mnemonici.

(1) La sensazione cerebrale della luce viene stimolata da un insieme di elettromagnetiche dette “visibili”, le quali si propagano nel vuoto da una sorgente di energia con una velocità costante e finita, corrispondente a circa 300.000 km/s.

Dal punto di vista della fisica spesso si parla di “luce” come sinonimo di “radiazione”, senza effettuare la distinzione tra sensazione cerebrale interiore al nostro cervello e la radiazione fisica esterna . Cio e’ dovuto al postulato della fisica classica che ha preteso in modo riduttivo di separare le qualita’ ( e quindi le senzazioni ) dalle quantita’ strumentalmente misurabili. (2)

I nostri occhi percepisco i cambiamenti frequenza delle radiazioni ed attivano la percezione cerebrale sotto forma di cambiamenti di colore, con eccezione per chi e’ daltonico , ovvero per coloro a cui per qualche disgrazia e stata asportata la parte celebrale temporale deputata alla percezione del colore. La lunghezze d’ onda a cui risulta sensibile il nostro sistema percettivo sono comprese in un intervallo limitato di lunghezze d’ onda, che e’ collocato all’ incirca tra i 380 nm sensazione corrispondente viola ed i 780 nm (sensazione : rosso; nm significa “nanometro” cioé un miliardesimo di metro); tale spettro di frequenze e’ quindi detto spettro della “luce visibile” (3) ; oltre questi estremi, il nostro occhio, non è più in grado di discriminare le variazioni di lunghezza d'onda del campo elettromagnetico. (4)

Le radiazioni elettromagnetiche trasportano nello spazio e nel tempo l'energia prodotta da una sorgente luminosa. L'energia trasportata dai campi elettromagnetici assomiglia al sistema di onde del mare ; la differenza e’ che il mare produce onde di materia (tridimensionali nello spazio ) anziche’ di pura energia ( onde piane ). (5)

Quando il campo elettromagnetico interagisce con la materia la onda si traforma in particella e cede la energia sotto forma di quanti , cioe’ di pacchetti di energia, che contengono una quantita’ definita di energia. Se si tratta del campo elettromagnetico della “luce visibile”, tali quanti di energia sono detti “fotoni di luce visibile”; essi si comportano come particelle, in quanto mentre il campo energetico e’ bidimensionale nello spazio e nel tempo , il fotone, come qualsiasi particella di materia, diviene tridimensionale nello spazio e possiede una sola dimensione temporale. Tale trasformazione tra il “continuum” delle proprieta’ ondulatorie della “ onda piana “nel comportamento energetico “discreto” delle particelle fotoniche,(*) corrisponde quindi ad una trasformata di una componente del tempo in una componente spaziale; tale mutamento e’ fisicamente necessario affinche’ la radiazione, acquisendo anch’essa la struttura di particella spazialmente tridimensionale, possa interagire con la codificazione spazio/temporale propria della materia.

L’ energia delle particelle fotoniche dipende dalla frequenza delle radiazioni: tanto maggiore è la frequenza di una radiazione, tanto maggiore è l'energia di un singolo fotone.La quantita di energia discreta del fotone e’ proposzionale alla frequenza dell’ onda elettromagnetica ; pertanto un fotone di raggi X, trasporta più energia di un fotone di raggi ultravioletti o di una qualsiasi radiazione del campo del visibile; quindi l'energia associata al fotone non dipende dalle dimensioni della sorgente, in quanto quest’ ultima influenza la forza del campo elettromagnetico e di conseguenza il numero di fotoni emessi nella interazione con la materia, ma non la quantità di energia inclusa da ciascuno di essi.

Gli aspetti corpuscolare delle particelle e ondulatorio del campo elettromagnetico sono quindi complementari; la attivita corpuscolare e’applicabile alle spiegazioni delle interazioni con la materia, mentre la attivita’ ondulatoria e’ confacente per la dimostrazione della propagazione di qualsiasi particella associata ad un campo elettromagnetico. Risulta pertanto che la fase corpuscolare e quelle ondulatoria danno luogo a fenomeni differenti di comportamento, a seconda della tipologia di interazione effetuata con differenti strutture degli apparati di misura:

a) alcuni fenomeni macroscopici ( riflessione, diffusione e rifrazione ) sono facilmete interpetabili dal modello corpuscolare, nell’ ambito della ottica-geometrica, disciplina ch rende possibile ragionare, in termini di comportamento dinamico lineare nello spazio/tempo dei fotoni, trattandoli concettualmente,in via semplificata ,come “raggi di luce” quando il campo interagisce con un mezzo omogeneo e isotropo (6) ;
b) altri fenomeni di interazione della luce si osservano quando ed es: la luce passa attraverso fenditure di ampiezza simile alla lunghezza d’ onda della readiazione incidente sono: la diffrazione, (7), e la interferenza, (8), la cui interpretazione deve ricorrere al modello di comportamento ondulatorio del campo elettrico.

(*) –Nota : i “fotoni”, esistono come tali quando l’ onda piana rappresentabile da un bit temporale (t/t’) e un bit spaziale (s’/s”), si converte in particelle fotoniche, che vengono dimensionate in una locazione specifica tri-dimensionale delle coordinate spaziali x,y,z la cui dinamica e relativa ad una sola dimendione nel tempo).

BIBLIO ON LINE
(1) I limiti cognitivi della percezione : www.edscuola.com/archivio/lre/limcogn.html

(2) Breve storia del Magnetismo/Elettricita’ : www.edscuola.com/archivio/lre/stmael.html

(3) Spettro “luce visibile” : www.mclink.it/mclink/astro/ids/lib/spettro.htm

(4) Modelli interpretativi del colore: www.grafopoli.com/biblio/colore/modelli.html

(5) Dal Mondo degli Atomi al Mondo dei Bit : www.edscuola.com/archivio/lre/atomi.html

(6) Riflessione, diffusione e rifrazione : 32_ottica_geometrica.html

(7) Diffrazione: 35_la_diffrazione.html D. da una fenditura : slitdiffr_ita.htm
Ottica: www.ba.infn.it/~zito/museo/des2.html
Legge di Bragg : bragg_ita.htm

(8) Interferenza di forme d'onda sinusoidali : www.ba.infn.it/~zito/museo/frame6.html

CRONOLOGIA
Luce e materia : www.ipse.com/quad/lab/luce.htm ; www.ipse.com/quad/can/bibl2.htm
- 1672 Isaac Newton rende ufficialmente pubblici i risultati della sua ricerca sulla scomposizione della luce ottenuta con un prisma.
- 1815 Augustin Fresnel dimostra la teoria ondulatoria della luce, secondo cui si propagherebbe come un'onda. L'ipotesi di Newton era, invece, quella di considerare la luce in forma di corpuscoli. Per spiegare la propagazione ondulatoria della luce divenne necessario rivedere l'idea di "etere" considerando i suoi comportamenti uguali a quelli di un corpo solido.
- 1853 Viene calcolata per la prima volta la velocità della luce nell'acqua dal francese Leon Foucault.
- 1887 Michelson e Morley dimostrano che la velocità della terra non influisce sulla velocità della luce.
- 1900 Max Planck sviluppa il concetto di quanto d'energia.
- 1905 Einstein pubblica la Teoria della relatività ristretta, in cui si dice tra l'altro che la velocità della luce è costante. Nello stesso anno pubblica un saggio sull'effetto fotoelettrico, in cui riprende il concetto di fotone introdotto da Planck per spiegare la proporzione inversa fra lunghezza d'onda e dimensione dei quanti di luce: più è bassa la frequenza maggiore è l'energia del fotone. Sempre nello stesso anno pubblica la formula ( E=mc2.) che stabilisce l'equivalenza fra massa ed energia.
-1923 Un esperimento di Arthur Holly Compton dimostra l'esistenza dei fotoni, e conferma che la forma della luce è sia di onda che di particella.