Luce (Radiazione elettromagnetica)

Il termine deriva dal latino lux, lucis, a sua volta dalla radice indoeuropea leuk- (“splendere”, “essere luminoso”).

I colori della luce visibile#

La seguente tabella illustra i colori, le lunghezze d’onda, le frequenze e le energie tipiche dei fotoni che l’occhio umano è in grado di percepire come luce visibile:

In senso più ampio, il termine “luce” viene usato spesso in astronomia e astrofisica come sinonimo di radiazione elettromagnetica in generale, indipendentemente dalla frequenza. In questa accezione estesa possiamo parlare, per esempio, di luce ultravioletta (UV) o di luce infrarossa (IR), anche se questi tipi di radiazione hanno lunghezze d’onda che i nostri occhi non possono percepire.

Proprietà universali della radiazione elettromagnetica#

La luce, o più precisamente la radiazione elettromagnetica, ha alcune proprietà universali:

• Non ha bisogno di un mezzo per propagarsi. A differenza del suono, viaggia perfettamente nel vuoto.

• Velocità fissa. Nel vuoto si propaga a circa $300\,000\,\mathrm{km/s}$ (più precisamente $299\,792\,458\,\mathrm{m/s}$). È la massima velocità possibile nell’universo e si indica solitamente con $c$.

• Si propaga in linea retta. In un mezzo omogeneo la luce viaggia in linea retta; tuttavia, su scala cosmica, la traiettoria della luce viene deflessa dalla gravità dei corpi massicci (lenti gravitazionali), in accordo con la relatività generale.

• Può essere riflessa. Quando colpisce una superficie liscia come uno specchio, la luce rimbalza, cambiando direzione con un angolo pari a quello di incidenza. Nel fare ciò mantiene la stessa velocità.

• Può essere diffusa (scattering). Un fotone cambia direzione interagendo con una particella senza subire un assorbimento definitivo, modificando la propria traiettoria e, in alcuni casi (come nell’effetto Compton), cedendo parte della propria energia.

• Può essere rifratta. Quando passa da un mezzo all’altro (es. dall’aria all’acqua), la luce cambia velocità e cambia direzione. Questo fenomeno è alla base del funzionamento di lenti, prismi e arcobaleni.

• Può essere assorbita. La luce può cedere la sua energia alla materia, ad esempio riscaldandola o generando corrente elettrica (effetto fotovoltaico).

• Può essere emessa. Un atomo eccitato decade a uno stato quantico di minore energia emettendo un fotone. In tal modo produce le righe di emissione caratteristiche degli spettri di nebulose e atmosfere stellari.

• Può essere polarizzata. Nella luce non polarizzata il campo elettrico oscilla con orientazione casuale attorno alla direzione di propagazione; nella luce polarizzata oscilla invece secondo un pattern definito - lineare, se confinato a un solo piano, oppure ellittico o circolare - fenomeno molto utile per studiare i campi magnetici nel plasma interstellare.

• Ha natura ondulatoria e corpuscolare. La definizione di luce è cambiata nel corso della storia. Per Isaac Newton era principalmente un flusso di corpuscoli, per Christiaan Huygens un’onda. Ma la fisica quantistica ha mostrato che entrambe le descrizioni sono corrette e necessarie per comprenderne il comportamento.

• Trasporta energia. Sia nella sua descrizione ondulatoria, come onda elettromagnetica, sia nella sua descrizione corpuscolare, come insieme di fotoni, la luce è un vettore di energia. Come onda elettromagnetica, la luce trasporta energia radiante. Ma, a livello quantistico e relativistico, questa energia coincide con l’energia cinetica trasportata dai fotoni che costituiscono l’onda. Non si tratta di due energie diverse sommate tra loro, ma della stessa energia vista da due prospettive differenti: l’energia radiante descrive il flusso dell’onda, l’energia cinetica descrive lo stato di moto perenne del fotone.