22 Gennaio 2022
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Quali sono tre delle proprietà delle onde?

In questa sezione, ci concentreremo sulle proprietà ondulatorie della luce. Mentre in seguito imparerete la dualità onda/particella (come la luce si comporta contemporaneamente come onda e come particella), qui discuteremo la natura ondulatoria della luce e gli effetti sperimentali di questo comportamento.

Introduzione al moto ondulatorio

Il moto ondulatorio si verifica quando una perturbazione periodica di qualche tipo si propaga attraverso un mezzo. Le variazioni di pressione attraverso l’aria, i movimenti trasversali lungo una corda di chitarra, o le variazioni nelle intensità dei campi elettrici e magnetici locali nello spazio, che costituiscono la radiazione elettromagnetica, sono tutti esempi tipici di moto ondoso. Per ogni mezzo, c’è una velocità caratteristica alla quale la perturbazione viaggia.

Onda sinusoidaleQuesta immagine mostra l’anatomia di una curva sinusoidale: la cresta è il picco di ogni onda, e la depressione è la valle; l’ampiezza è la distanza tra la cresta e l’asse x; e la lunghezza d’onda è la distanza tra due creste (o due depressioni).

Ci sono tre proprietà misurabili del moto ondoso: ampiezza, lunghezza d’onda e frequenza (il numero di vibrazioni al secondo). La relazione tra la lunghezza d’onda λ (greco lambda) e la frequenza di un’onda ν (greco nu) è determinata dalla velocità di propagazione vtale che

Per la luce, questa equazione diventa

dove c è la velocità della luce, 2,998 x 10 8 m/s.

Quando si utilizzano queste equazioni per determinare la lunghezza d’onda, la frequenza o la velocità attraverso la manipolazione dell’equazione, è importante notare che le lunghezze d’onda sono espresse in unità di lunghezza, come metri, centimetri, nanometri, ecc; e la frequenza è tipicamente espressa come megahertz o hertz (s -1 ).

Esempio

Qual è la lunghezza d’onda della nota musicale A = 440 hz quando si propaga attraverso l’aria in cui la velocità del suono è 343 m s-1?

λ = v (343 m s-1)/ v(440 s-1) = 0,780 m

L’esperimento della doppia luce di Young

All’inizio del XIX secolo, lo scienziato inglese Thomas Young realizzò il famoso esperimento della doppia fenditura (noto anche come esperimento di Young), che dimostrò che un fascio di luce, quando viene diviso in due fasci e poi ricombinato, mostra effetti di interferenza che possono essere spiegati solo assumendo che la luce sia una perturbazione ondulatoria. Se la luce consistesse strettamente di particelle ordinarie o classiche, e queste particelle fossero sparate in linea retta attraverso una fenditura e lasciate colpire uno schermo dall’altra parte, ci aspetteremmo di vedere un modello corrispondente alla dimensione e alla forma della fenditura. Tuttavia, quando questo esperimento della fenditura singola è effettivamente eseguita, il modello sullo schermo è un modello di diffrazione in cui la luce è diffusa. Più piccola è la fenditura, maggiore è l’angolo di diffusione.

Esperimento della doppia fenditura di YoungSe la luce fosse puramente una particella, non presenterebbe il modello di interferenza mostrato qui.

Allo stesso modo, se la luce consistesse esclusivamente di particelle classiche e se illuminassimo due fenditure parallele, il modello atteso sullo schermo sarebbe semplicemente la somma dei due modelli della singola fenditura. In realtà, però, il modello cambia in uno con una serie di bande chiare e scure alternate. Quando Thomas Young dimostrò per la prima volta questo fenomeno, indicò che la luce consiste in onde, poiché la distribuzione della luminosità può essere spiegata dall’interferenza alternativamente additiva e sottrattiva dei fronti d’onda. L’esperimento di Young, eseguito all’inizio del 1800, giocò un ruolo fondamentale nell’accettazione della teoria ondulatoria della luce, sostituendo la teoria corpuscolare della luce proposta da Isaac Newton, che era stato il modello accettato della propagazione della luce nei secoli XVII e XVIII. Quasi un secolo dopo, nel 1905, la ricerca di Albert Einstein, vincitrice del premio Nobel, sull’effetto fotoelettrico dimostrò che la luce può comportarsi come se fosse composta da particelle discrete in determinate condizioni. Queste scoperte apparentemente contraddittorie hanno reso necessario andare oltre la fisica classica e prendere in considerazione la natura quantistica della luce.

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