home page - novità - mappa - link AMA - Associazione Marchigiana Astrofili - Ancona

l'universo in un raggio di luce

COME LA SPETTROSCOPIA HA CAMBIATO L'ASTRONOMIA

< indietro avanti >

3. che cos'è la luce?

Nel 1859 il fisico scozzese Maxwell aveva enunciato in un'unica teoria le leggi dell'Elettromagnetismo. Per la fisica classica fu un'altra notevole opera di unificazione, paragonabile alle leggi della meccanica di Newton. Infatti non solo Maxwell aveva unificato i fenomeni elettrici e magnetici, fino ad allora ritenuti del tutto separati, ma nelle sue formule entrava della porta di servizio anche l'ottica, una branca isolata della fisica. Infatti, in presenza di fenomeni elettrici e magnetici, c'era qualcosa che si propagava nello spazio, guarda caso ad una velocità identica a quella della luce.

Si chiariscono le idee sulla luce

A questo punto divenne possibile rispondere alla domanda "Che cos'è la luce?". La luce è una propagazione di campi elettrici e magnetici oscillanti. Ogni variazione del campo elettrico produce una variazione del campo elettrico e del campo magnetico, variazione che si propaga come un'onda trasversale alla velocità costante di circa 300000 km/s. Per fare un esempio è come osservare un lago sul quale si trova un tappo di sughero; facendo oscillare su e giù il tappo di sughero si crea un'onda di altezza proporzionale all'ampiezza di movimento del tappo. Questa onda che si propaga per tutta la superficie può trasmettere l'identico movimento oscillatorio ad un altro tappo fermo e galleggiante.


onda elettromagnetica, fonte: www.physics.uiowa.edu
a destra James Clerk Maxwell (1831-1879), foto www-gap.dcs.st-and.ac.uk

Nei fenomeni ondulatori trasversali la lunghezza d'onda (l) è la distanza tra due creste, o due valli, successive, mentre la frequenza (n) è il numero di oscillazioni nell'unità di tempo. Per la meccanica classica l'energia trasportata da un'onda dipende dalla sua ampiezza (A), ovvero l'altezza di una cresta rispetto all'asse di propagazione. Inoltre se l'onda si propaga con velocità v, vale sempre la relazione fondamentale  l = v / n.

Il colore che i nostri occhi avvertono dipende dalla lunghezza d'onda della luce ricevuta. Nel caso della luce la velocità (indicata con la lettera c) è costante, quindi la relazione l = c / n implica che lunghezza d'onda e frequenza sono inversamente proporzionali: quando una raddoppia l'altra si dimezza. Questo significa che il colore dipende allo stesso modo dalla lunghezza d'onda e dalla frequenza. Per esempio la luce rossa all'estremo dello spettro ha una lunghezza d'onda di circa 700 miliardesimi di metro corrispondente ad una frequenza di 430 mila miliardi di oscillazioni al secondo. La luce violetta all'altro estremo ha una lunghezza d'onda di 400 miliardesimi di metro e una frequenza di 750 mila miliardi di oscillazioni al secondo. La luce dei colori intermedi avrà dal rosso al violetto frequenza crescente e lunghezza d'onda decrescente.

   

Naturalmente i nostri occhi non ricevono sempre luce monocromatica (ovvero fasci di luce di una sola frequenza, come accade nei LASER): l'esperienza comune è vedere luce mescolata di diverse lunghezze d'onda. In tal caso, pur essendo luce e suono entrambi fenomeni ondulatori, l'occhio è un ricettore che non si comporta come l'orecchio. Nel suono avvertiamo e possiamo distinguere suoni diversi che si sommano, mentre i nostri occhi interpretano qualunque miscela come un singolo colore, tanto che non siamo in grado di distinguere una somma di luce gialla e blu dalla corrispondente luce monocromatica verde. Ecco da dove vengono tutti quei colori che in natura non esistono: il bianco, i marroni, i porpora, i colori pastello, sono tutti colori, chiamati "non spettrali", che i nostri occhi generano a partire dalle infinite miscele di colori spettrali.

Lo spettro elettromagnetico

Le formule di Maxwell non ponevano limiti alle lunghezze d'onda, quindi in teoria doveva esistere una serie di altre radiazioni, dette onde elettromagnetiche. Alcune di queste erano già state osservate: studiando gli spettri con un termometro, Herschel aveva scoperto nel 1800 che non solo c'era un aumento di temperatura dal rosso al violetto, ma che veniva rilevato del calore anche nella regione invisibile detta infrarosso, cioè "sotto il rosso", e; più tardi Rayleght scoprì che esisteva qualcosa oltre il violetto, nella regione detta ultravioletto, cioè "al di là del violetto". La conferma delle ipotesi di Mawxell venne fatta nel 1886 da Hertz, che scoprì le onde radio (dette anche hertziane) di lunghezza d'onda assai superiore rispetto alla luce visibile. Quindi la luce che i nostri occhi avvertono è solo una piccola parte di tutte le radiazioni possibili. Così come in uno spettro osserviamo la luce in ordine di frequenza (o di lunghezza d'onda), così lo spettro elettromagnetico è formato mettendo in ordine tutte le radiazioni elettromagnetiche, dalle onde lunghe di bassa frequenza alle onde brevissime di altissima frequenza.


   PICCOLA FREQUENZA ------------------------------------------------> GRANDE FREQUENZA
   GRANDE LUNGHEZZA D'ONDA <------------------------------- PICCOLA LUNGHEZZA D'ONDA


immagine originale: Osservatorio di Parigi/LESIA

Le varie regioni, dalla banda radio vengono definite in base a come come le misuriamo o al meccanismo che origina le radiazioni. I confini tra una banda e l'altra non sono definiti univocamente, e la classificazione e le divisioni interne delle regioni dipendono spesso dal campo di studio o di applicazione.



L'assorbimento delle radiazioni elettromagnetiche
da parte dell'atmosfera terrestre
fonte: NASA Goddard Space Flight Center
   
BANDA lunghezza d'onda frequenza
radio oltre 10-2 m meno di 1010 Hz
microonde da 10-2 a 10-4 m da 1010 a 1012 Hz
infrarosso da 10-4 a 10-6 m da 1012 a 1014 Hz
luce visibile da 7·10-7 a 4·10-7 m da 4·1014 a 7·1014 Hz
ultravioletto da 10-7 a 10-8 m da 1015 a 1016 Hz
raggi X da 10-8 a 10-12 m da 1016 a 1020 Hz
raggi γ meno di 10-12 m oltre 1020 Hz

L'atmosfera terrestre premette solo alla luce visibile di raggiungere completamente la superficie terrestre. Possono raggiungere il suolo una parte degli ultravioletti (quelli che ci abbronzano) e alcune frequenze a microonde e nell'infrarosso. Gran parte delle onde radio vengono riflesse dalla bassa atmosfera, fenomeno utilizzato dall'uomo per comunicare a distanze intercontinentali, mentre onde ad altissima frequenza, letali per la vita, non riescono per nostra fortuna a raggiungere la superficie della Terra.

< indietro | INDICE | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | avanti >

> astronomia di base
> approfondimenti di astronomia
> ritorna alla home page