La natura ondulatoria della luce

La natura della luce è stata oggetto di indagine fin dall’antichità. Nel XVII secolo, Isaac Newton eseguì esperimenti con lenti e prismi e fu in grado di dimostrare che la luce bianca consiste nei singoli colori dell’arcobaleno combinati insieme. Newton spiegò i suoi risultati ottici in termini di visione “corpuscolare” della luce, in cui la luce era composta da flussi di particelle estremamente piccole che viaggiavano ad alta velocità secondo le leggi del moto di Newton.

Altri nel XVII secolo, come Christiaan Huygens, avevano dimostrato che fenomeni ottici come la riflessione e la rifrazione potevano essere spiegati altrettanto bene in termini di luce come le onde che viaggiano ad alta velocità attraverso un mezzo chiamato “etere luminifero” che si pensava permeasse tutto lo spazio. All’inizio del XIX secolo, Thomas Young dimostrò che la luce che passava attraverso fessure strette e strettamente distanziate produceva schemi di interferenza che non potevano essere spiegati in termini di particelle newtoniane ma potevano essere facilmente spiegati in termini di onde. Più tardi nel XIX secolo, dopo che James Clerk Maxwell sviluppò la sua teoria della radiazione elettromagnetica e mostrò che la luce era la parte visibile di un vasto spettro di onde elettromagnetiche, la visione delle particelle della luce divenne completamente screditata.

Alla fine del XIX secolo, gli scienziati vedevano l’universo fisico come costituito approssimativamente da due domini separati: la materia composta da particelle che si muovevano secondo le leggi del moto di Newton e la radiazione elettromagnetica costituita da onde governate dalle equazioni di Maxwell. Oggi, questi domini sono indicati come meccanica classica ed elettrodinamica classica (o elettromagnetismo classico). Sebbene ci fossero alcuni fenomeni fisici che non potevano essere spiegati in questo quadro, gli scienziati a quel tempo erano così sicuri della solidità complessiva di questo quadro che vedevano queste aberrazioni come paradossi sconcertante che alla fine sarebbero stati risolti in qualche modo in questo quadro. Questi paradossi portarono ad una struttura contemporanea che collega intimamente particelle e onde ad un livello fondamentale chiamato dualità onda-particella, che ha sostituito la visione classica.

La luce visibile e altre forme di radiazione elettromagnetica svolgono un ruolo importante in chimica poiché possono essere utilizzate per dedurre le energie degli elettroni all’interno di atomi e molecole. Gran parte della tecnologia moderna si basa sulla radiazione elettromagnetica. Ad esempio, le onde radio di un telefono cellulare, i raggi X utilizzati dai dentisti, l’energia utilizzata per cucinare il cibo nel microonde, il calore radiante proveniente da oggetti rozza e la luce dello schermo televisivo sono forme di radiazione elettromagnetica che mostrano tutte un comportamento wavelike.

Onde

Un’onda è un’oscillazione o movimento periodico che può trasportare energia da un punto nello spazio all’altro. Esempi comuni di onde sono tutto intorno a noi. Scuotere l’estremità di una corda trasferisce energia dalla mano all’altra estremità della corda, far cadere un ciottolo in uno stagno fa increspare le onde verso l’esterno lungo la superficie dell’acqua, e l’espansione dell’aria che accompagna un fulmine genera onde sonore (tuoni) che possono viaggiare verso l’esterno per diverse miglia. In ognuno di questi casi, l’energia cinetica viene trasferita attraverso la materia (la corda, l’acqua o l’aria) mentre la materia rimane essenzialmente in atto.

Le onde non devono essere limitate a viaggiare attraverso la materia. Come ha mostrato Maxwell, le onde elettromagnetiche consistono in un campo elettrico che oscilla di passo con un campo magnetico perpendicolare, entrambi perpendicolari alla direzione di marcia. Queste onde possono viaggiare attraverso un vuoto ad una velocità costante di 2.998 × 10⁸ m/s, la velocità della luce (denotata da c).

Tutte le onde, comprese le forme di radiazione elettromagnetica, sono caratterizzate da una lunghezza d’onda (denotata da λ, la lettera greca minuscola lambda), una frequenza (denotata da ν, la lettera greca minuscola nu), e un’ampiezza.

La lunghezza d’onda è la distanza tra due picchi o trogoli consecutivi in un’onda (misurata in metri nel sistema SI). Le onde elettromagnetiche hanno lunghezze d’onda che rientrano in un’enorme gamma di lunghezze d’onda di chilometri (103 m) a picometri (10−12 m) sono state osservate. La frequenza è il numero di cicli d’onda che passano un punto specificato nello spazio in una quantità specificata di tempo (nel sistema SI, questo viene misurato in secondi). Un ciclo corrisponde a una lunghezza d’onda completa. L’unità per la frequenza, espressa come cicli al secondo [s⁻¹], è l’hertz (Hz). Multipli comuni di questa unità sono megahertz (1 MHz = 1 × 10⁶ Hz) e gigahertz (1 GHz = 1 × 10⁹ Hz).

L’ampiezza corrisponde alla grandezza dello spostamento dell’onda, e questo corrisponde a metà dell’altezza tra i picchi e i trogoli. L’ampiezza è correlata all’intensità dell’onda, che per la luce è la luminosità, e per il suono è il volume. Il prodotto della lunghezza d’onda di un’onda (λ) e della sua frequenza (ν), λν, è la velocità dell’onda. Così, per la radiazione elettromagnetica nel vuoto, la velocità è uguale alla costante fondamentale, c:

Lunghezza d’onda e frequenza sono inversamente proporzionali: all’aumentare della lunghezza d’onda, la frequenza diminuisce. Lo spettro elettromagnetico è la gamma di tutti i tipi di radiazione elettromagnetica.

Questo testo è adattato da Openstax, Chimica 2e, Sezione 6.1: Energia Elettromagnetica.