Natura ondulatoria della luce, omaggio a Hertz

Cari amici, stamattina avete dato un occhio al vostro motore di ricerca preferito? Google naturalmente, che come di consueto in occasioni particolari si diverte a cambiare il solito, monotono, logo colorato con un  immagine divertente, che in gergo si chiama Doodle. Stamane al posto del solito logo, un’onda in continuo movimento a celebrare il 155 anniversario della nascita di Heinrich Rudolf Hertz.

Oggi vorrei celebrare a modo mio  questo importante evento, raccontandovi brevemente del suo lavoro, fondamentale nella definizione della caratteristica ondulatoria della luce e precursore della teoria quantistica.

Fisico sperimentale tedesco di eccezionale valore, nel 1887, attraverso una serie di celebri esperienze sulle onde elettromagnetiche, dimostrò brillantemente che queste si propagano con la velocità della luce, obbedendo alle stesse leggi delle onde luminose.
A seguito delle esperienze di Hertz fu definitivamente dimostrata la natura elettromagnetica dei fenomeni luminosi, come aveva previsto Maxwell nel 1873, basandosi esclusivamente su considerazioni fisico-matematiche. Dimostrazioni che di fatto andavo  a fugare qualsiasi dubbio sulla natura ondulatoria della luce.

Nel 1887 scoprì l’effetto fotoelettrico, che consiste nell’emissione di cariche elettriche negative (elettroni) da parte di una superficie metallica illuminata. Esperimento che, qualche anno più tardi, suscitò l’interesse di due illustri scienziati: Max Planck  e Albert Einstein e che culminò con  la dimostrazione della teoria quantistica.

Più nel dettaglio della teoria ondulatoria e corpuscolare e del dibattito tra le due “fazioni” ecco brevemente come sono andate le cose (tratto da lezioni di illuminotecnica di P.Palladino):

Le prime teorie riguardanti  la luce, l’interazione tra gli esseri viventi e il mondo che li circonda risalgono all’opera di NEWTON  e di HUYGENS.

Nel 1670 Huygens riuscì a spiegare i fenomeni ottici allora conosciuti considerando la luce costituita da onde longitudinali  simili alle onde sonore (teoria ondulatoria). Fermo oppositore di tale teoria fu Newton; secondo quest’ultimo, infatti, l’idea delle onde era in contrasto con la propagazione rettilinea della luce. Nel trattato Opticis, pubblicato nel 1704, Newton pose le basi della teoria corpu¬scolare. Egli suppose che tutti i corpi luminosi, compreso il Sole, potessero diffondere piccolissime particelle che si propagano in linea retta in tutte le direzioni ad altissima velocità. Secondo il suo pensiero, questi corpuscoli colpivano come proiettili gli oggetti, facendoli apparire illuminati.Newton escluse che la luce dovesse essere pensata come un fenomeno ondulatorio.

La teoria ondulatoria di Huygens si rafforzò agli inizi dell’Ottocento, quando l’inglese YOUNG effettuò alcuni esperimenti che sembravano stabilire in modo inequivocabile il carattere ondulatorio della luce. Nel 1802 Young dimostrò infatti che la luce poteva produrre effetti interferenziali del tutto analoghi a quelli delle onde meccaniche: in pratica, la luce poteva propagarsi anche in regioni che secondo i princìpi della teoria corpuscolare avrebbero dovuto restare in ombra. Lo studioso giunse a tali considerazioni attraverso un noto esperimento che consisteva nell’inviare un fascio di luce monocromatica attraverso due fori molto piccoli praticati su un cartone a breve distanza l’uno dall’altro. La luce che attraversava tali fori non procedeva in linea retta, ma si allargava a formare due coni, dilatati per diffrazione. Inoltre, nella regione in cui la luce dei due fasci si sovrapponeva, l’intensità luminosa non appariva rinforzata. Non si trattava, dunque, di una somma delle luci prodotte dai due fasci: al contrario, si potevano osservare zone in cui l’intensità luminosa era massima e zone di completa oscurità. Tale fenomeno non poteva essere interpretato con la teoria corpuscolare di Newton.

Conferma decisiva sulla natura ondulatoria della luce venne data negli ultimi anni dell’800 da MAXWELL , che classificò le onde luminose tra le onde elettromagnetiche trasversali (e non longitudinali come le definì Huygens). Come anticipato fu Hertz colui che riuscì, nel 1888, a dare una conferma sperimentale all’esistenza di onde elettromagnetiche ipotizzata teoricamente da Maxwell e a dimostrare che la loro velocità coincideva con quella della luce. Hertz giunge alla dimostrazione che le onde della luce differiscono dalle altre  onde elettromagnetiche soltanto per la loro lunghezza d’onda, appurando che le radiazioni elettromagnetiche da lui ottenute hanno proprietà analoghe a quelle della luce, propagandosi in linea retta con velocità simile a quella della luce, e potendo essere riflesse, rifratte, diffratte e polarizzate come le onde luminose.

Qua di seguito un filmato carino molto esaustivo che riassume la vicenda:

 

Assunta come fenomeno di tipo ondulatorio, la radiazione elettromagnetica, rappresentata dalle curve ad andamento sinusoidale caratterizzata da:

periodo (T): è il moto vibratorio che si propaga, ovvero il più piccolo intervallo di tempo dopo il quale il moto riassume le stesse proprietà;

lunghezza d’onda (λ ): è la distanza, espressa in nanometri13, percorsa dall’onda durante un ciclo completo di oscillazione. In pratica è la distanza tra una cresta dell’onda e la successiva;

ampiezza: è la differenza tra il valore massimo e quello minimo assunti dall’onda elettromagnetica;

frequenza (f) è il numero di cicli completi di oscillazione che avvengono in ogni secondo. Si esprime in hertz (Hz).

Se si fa galleggiare un tappo di sughero sull’acqua, questo si troverà prima sulla cresta dell’onda e si collocherà subito dopo sul ventre della stessa. Ciò che è importante osservare è che il galleggiante non viaggia con l’onda, non si sposta con essa: semplicemente, si muove con modalità sussultoria. Esaminando l’esempio poc’anzi trattato, il tappo di sughero, inizialmente situato sulla cresta dell’onda, scenderà nel ventre della stessa, per poi risalire e ripetere il medesimo movimento. Pertanto, il galleggiante scenderà e salirà per il tempo necessario all’onda per compiere un’oscillazione completa. Il numero delle vibrazioni complete effettuate dal tappo in un secondo definisce la frequenza.

f=1/T [Hz]

La relazione che lega la velocità di propagazione della luce, la lunghezza d’onda e la frequenza è:

C=λ .f dove

C=velocità di propagazione [ms]

λ =lunghezza d’onda

f=frequenza

Per finire e per comprendere meglio il fenomeno di propagazione ondulatoria della luce qua di seguito un filmato un po’ vecchiotto, ma estremente ben fatto e, a seguire l’esperimento di Young sull’interferenza della luce.

La prossima puntata continuerò con la ripresa da parte di Einstein e Planck della teoria quantistica ed effetto fotoelettrico

ciao

alla prossima