Teoria ondulata della luce spiegazione, applicazioni, esempi

IL teoria ondulata della luce È una teoria che cerca di spiegare la natura della luce e lo considera un'onda elettromagnetica. Fu formulato nel 1678 dal fisico olandese Christian Huygens, sebbene all'epoca aveva poca accettazione da parte di altri scienziati.

Nel corso della sua storia, l'umanità ha sempre sentito un interesse vivente nella comprensione della luce e in ogni era, scienziati e pensatori hanno elaborato varie teorie. Tuttavia, la teoria ondulata è quella che spiega con i più grandi fenomeni di luce del successo, come l'interferenza, che consiste nella sovrapposizione di due o più onde in un luogo di spazio.

Figura 1. La teoria ondulata della luce fu creata dal fisico olandese Christian Huygens nel 1678. Fonte: f. Zapata.

L'interferenza è un fenomeno che si verifica solo nelle onde, non nelle particelle (a livello macroscopico).

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Storia

Le scoperte scientifiche del diciannovesimo secolo hanno contribuito a forti prove a sostegno della teoria ondulata. Uno di questi era il motivo della luce e delle bande oscure che il fisico inglese Thomas Young ha trovato nel suo famoso esperimento a doppia fessura. Solo le onde sono in grado di tale comportamento (vedi Figura 7).

Ma prima di ciò la luce era anche considerato un flusso di particelle che emanavano dagli oggetti: è la teoria corpuscolare della luce proposta da Isaac Newton (1642-1727), di cui Huygens era più o meno contemporaneo.

Figura 2: teoria di Huygens ed Einstein

Con la sua teoria corpuscolare, Newton potrebbe anche spiegare in modo soddisfacente i fenomeni quotidiani come la rifrazione e la riflessione. E all'inizio del 20 ° secolo sono emerse nuove scoperte a favore di questa teoria.

Allora vale la pena chiedere: qual è la luce finalmente? La risposta è in una doppia natura: quando si propagano, la luce mostra un comportamento d'onda e quando interagisce con la materia, lo fa come una particella: il fotone.

Spiegazione

La riflessione e la rifrazione della luce sono comportamenti che ha quando passa da un mezzo a un altro. Grazie al riflesso vediamo il nostro riflesso su superfici e specchi in metallo lucido.

Può servirti: elettricità staticaFigura 3: rifrazione leggera

La rifrazione si osserva quando una matita o una canna sembrano essere divise in due essendo parzialmente immerso in acqua o semplicemente li vediamo attraverso il vetro del vetro.

Figura 4. La rifrazione della luce quando si muove dall'aria a mezzi diversi, come vetro e acqua, poiché in ognuno cambia direzione e velocità. Fonte: Wikimedia Commons. Di Mehran Moghtadai - Own Work, CC di -SA 3.0.

D'altra parte, la luce viaggia in linea retta, qualcosa che Christian Huygens aveva anche osservato e spiegarlo. Huygens ha proposto quanto segue:

-La luce è costituita da una parte anteriore a onda piatta che si diffonde seguendo una linea retta.

-Sia la riflessione che la rifrazione si verificano perché ogni anteriore onda è equivalente a una luce del fulmine.

-È necessario un mezzo di materiale chiamato etere.

Huygens credeva che la luce fosse un'onda longitudinale, così come il suono, il cui comportamento era molto più noto per il momento grazie agli esperimenti di Robert Boyle (1627-1691). Questo si è riflesso nel suo lavoro intitolato Trattato di luce.

Molti scienziati hanno cercato con impazienza l'etere proposto da Huygens, ma non lo hanno mai trovato.

E mentre anche la teoria corpuscolare di Newton spiegava la riflessione e la rifrazione, questo prevalse fino all'inizio del diciannovesimo secolo, quando Thomas Young ha condotto il suo famoso esperimento.

Principio di Huygens

Per spiegare la riflessione e la rifrazione della luce, Huygens ha sviluppato una costruzione geometrica chiamata Principio di Huygens:

Ogni punto di un fronte d'onda è, a sua volta, una fonte puntuale che produce anche onde sferiche secondarie.

Queste sono onde sferiche, perché supponiamo che l'ambiente in cui viaggiano sia omogeneo, quindi una fonte di luce emette raggi che si diffondono in tutte le direzioni allo stesso modo. Sui fronti o sulle superfici dell'onda, tutti i punti sono nello stesso stato di vibrazione.

Può servirti: sole

Ma quando la fonte è abbastanza lontana, un osservatore percepisce che la luce viaggia nella direzione perpendicolare al fronte d'onda, che è percepito come un piano a causa della distanza, e lo fa anche in linea retta.

Questo accade con i raggi di una fonte relativamente lontana, come il sole.

Figura 5. La luce si diffonde in linea retta e perpendicolare ai fronti delle onde. Se la fonte è distante, i fronti sono visti come piani. Fonte: f. Zapata.

Luce come un'onda elettromagnetica

Questa è una previsione delle equazioni fatte da James Clerk Maxwell (1831-1879) nel corso del XIX secolo. Quando i campi elettrici e magnetici dipendono dal tempo, sono collegati in modo tale che uno di loro genera l'altro.

Accoppiati, i campi viaggiano come un'onda elettromagnetica in grado di diffondersi anche nel vuoto.

Figura 6.- Un'onda elettromagnetica, costituita da un campo elettrico e un altro magnetico, perpendicolare l'uno all'altro. A sua volta, l'onda si muove perpendicolare ad essi. Fonte: Wikimedia Commons.

I campi elettrici e magnetici sono perpendicolari l'uno all'altro e la direzione della propagazione delle onde. La luce non è un'onda longitudinale, come credeva Huygens, ma trasversale.

Quando gli atomi e le molecole riorganizzano i loro elettroni costituenti emettono luce, quindi succede al nostro sole. Da lì la luce viaggia nel vuoto dello spazio a velocità costante, arriva sulla Terra e sta arrivando a mezzi materiali, come aria e acqua.

La luce visibile occupa una piccola striscia di frequenze nello spettro elettromagnetico, poiché vediamo solo quelli a cui l'occhio è sensibile.

Esempi di teoria corpuscolare

La natura ondulata della luce e la sua propagazione rettilinea è rivelata in:

Può servirti: cos'è un processo isotermico? (Esempi, esercizi)

-I fenomeni di tutti i tipi di onde, che la luce è ugualmente in grado di sperimentare, come polarizzazione, interferenza, diffrazione, riflessione e rifrazione.

-I colori iridescenti che si formano in sottili film di sapone.

-L'esperimento di Young, in cui un fronte d'onda colpisce le due fessure, dando origine a nuovi fronti delle onde che si combinano (interferendo) sullo schermo opposto. C'è un modello caratteristico di bande luminose che si alternano a bande scure.

Figura 7. L'esperimento a doppia fessura di Young. Fonte: fisica. Santillana Hypertext.

-La formazione di ombre, le aree scure che appaiono quando un oggetto si trova tra la luce e i nostri occhi. Se la luce non si diffondesse rettilinea, sarebbe possibile vedere attraverso oggetti opachi.

Applicazioni

Possedendo qualità d'onda, la luce ha innumerevoli applicazioni:

Film sottili

L'interferenza distruttiva della luce nei film sottili - come le bolle di sapone sopra menzionate - viene applicata per produrre rivestimenti antiflessione per occhiali per occhiali.

Il laser

È una fonte di luce intensa e coerente, che era possibile costruire una volta compresa la natura della luce delle particelle d'onda.

Olografia

È una tecnica in cui il modello di interferenza di un oggetto tridimensionale è registrato su una piastra fotografica piatta.

Quindi, la targa con la sorgente di luce appropriata (solitamente laser) ha illuminato l'immagine tridimensionale dell'oggetto.

Polarimetria

È una tecnica che utilizza la polarizzazione della luce, un fenomeno che si presenta quando il campo elettromagnetico varia sempre nella stessa direzione.

La polarimetria viene applicata industrialmente per conoscere le aree in cui i pezzi subiscono maggiori sforzi meccanici. In questo modo i materiali di progettazione e costruzione sono ottimizzati.

Interferometria

L'interferometria è una tecnica che utilizza il fenomeno dell'interferenza della luce. È usato in astronomia quando si combina la luce da diversi telescopi, al fine di formare una rete con una maggiore risoluzione.

Si applica sia in radiofrequenza (un'altra regione dello spettro elettromagnetico che non è visibile), nonché nell'intervallo ottico. Un'altra applicazione di interferometria è nel rilevamento di crepe e guasti nei pezzi fabbricati.

Riferimenti

1. Figueroa, d. (2005). Serie: Physics for Science and Engineering. Volume 7. Onde e fisica quantistica. A cura di Douglas Figueroa (USB).
2. Giancoli, d.  2006. Fisica: principi con applicazioni. 6 °. Ed Prentice Hall.
3. Rex, a. 2011. Fondamenti di fisica. Pearson.
4. Romero, o. 2009. Fisico. Santillana Hypertext.
5. Serway, r. 2019. Fisica per la scienza e l'ingegneria. 10 °. Edizione. Volume 2. Cengage.
6. Shipman, j. 2009. Un'introduzione alla scienza fisica. Dodicesima edizione. Brooks/Cole, Cengage Editions.
7. Wikipedia. Leggero. Recuperato da: è.Wikipedia.org.