La luce ha una doppia natura, ossia si può descrivere con due modelli fisici differenti:
La luce è una radiazione elettromagnetica
compresa tra la lunghezza d'onda di 380 e 780 nanometri (1 nm = 1/1.000 µm
= 1/1.000.000 mm = 1/1.000.000.000 m).
Detta così, ovviamente, ha bisogno di qualche spiegazione, ma ci
accontentiamo di qualche cosa di abbastanza sommario.
È una radiazione elettromagnetica, ossia un campo
elettromagnetico che si propaga in modo ondulatorio,
quindi si parla anche che è un'onda elettromagnetica.
Un campo elettromagnetico potremmo dire (sperando di non scandalizzare
troppo gli insegnanti di fisica) è una situazione che si può manifestare
nello spazio, in presenza o meno di materia, quindi anche nel vuoto), in
cui viene collocata una particella elettrica questa è soggetta a forze
di intensità e direzione diverse a seconda dello stato di quiete o di
movimento della particella. Ma a dire il vero sapere esattamente cosa sia
non ci interessa molto per lo studio della colorimetria.
Però ci interessa dire che un campo elettromagnetico può avere intensità e
direzione variabili e che può propagarsi in forma d'onda. Significa che se
in una zona dello spazio c'è un campo elettromagnetico che varia nel
tempo, questo influenza le zone adiacenti, come se fosse un onda. Pensiamo
alle onde sulla superficie di uno stagno, per avere un idea, o agli
spettatori che fanno la ola allo stadio. L'onda si muove, si propaga
velocemente, ma gli spettatori non si spostano, si alzano e si abbassano
soltanto.
Guardiamo questa animazione
cliccando qui (è necessario avere javascript attivo sul proprio
browser).
Pensiamo alla densità (alla tonalità del grigio) nell'animazione come
all'intensità del campo elettromagnetico.
Questa è un'onda che si propaga in modo rettilineo, ma le onde
elettromagnetiche si propagano in modo sferico, nello spazio, a partire da
una sorgente.
Se prendiamo in considerazione un "raggio" uscente dal centro, quello che
succede è quello che si vede nell'animazione.
Riusciamo a vedere bene che tra due zone di massima intensità c'è una
distanza che rimane costante: quella distanza si chiama lunghezza
d'onda, e si indica di solito con "λ"
che è la lettera greca "lambda". La lunghezza d'onda nel S.I. ha per unità
di misura il metro (m), o un suo multiplo o un
suo sottomultiplo.
Riusciamo a vedere bene anche che l'onda ha una velocità di
propagazione, che si indica di solito con "c".
nel S.I. la velocità di propagazione ha ha per unità di misura il
metro/secondo (m/s), o un suo multiplo o un suo
sottomultiplo.
Inoltre, se ci fissiamo a guardare una qualsiasi zona dell'onda,
osserviamo che in un certo intervallo di tempo torniamo alla situazione di
massima intensità, un certo numero di volte. Questo indica la frequenza
e si indica di solito con "f". Di solito si
misura in "hertz" (il cui simbolo è "Hz") che
sta a significare "oscillazioni al secondo" (nel caso della nostra
animazione è così lenta che ha una frequenza molto bassa, inferiore a 1
Hz). Dimensionalmente è [Hz] = [1/s] = [s-1], e quindi è
un'unità di misura del S.I.
Infine possiamo vedere che l'intensità dell'onda varia da un massimo a un minimo: la differenza tra l'intensità minima e massima rappresenta l'ampiezza dell'onda.
La sua unità di misura dipende dal particolare fenomeno ondulatorio preso in considerazione: ad esempio per un'onda sulla superficie di uno specchio d'acqua interesserà l'altezza del pelo dell'acqua rispetto alla posizione intermedia tra il massimo e il minimo.
In questo caso, poiché stiamo analizzando i fenomeni ondulatori elettromagnetici, e poiché le onde elettromagnetiche trasferiscono energia (senza spostare materia), la grandezza che interessa è la potenza in gioco, detta flusso radiante, che rappresenta la potenza della radiazione (pertanto è detto anche potenza radiante), la cui unità di misura nel S.I. è il watt (W), o un suo multiplo o sottomultiplo.
Altra grandezza che interessa, strettamente correlata al flusso radiante, è la radianza, che nappresenta in un certo senso la "concentrazione" del flusso radiante.
Vale sempre la semplice relazione:
c = λ·f
Nel caso delle radiazioni elettromagnetiche la velocità di propagazione di queste varia a seconda del mezzo attraversato.
Nel vuoto, ma nell'aria non è troppo differente, è (circa):
c = 300.000.000 m/s = 300.000 km/s = 1.080.000.000 km/h
È quella che si dice "la velocità della luce", infatti, e l'abbiamo già detto, la luce è una particolare radiazione elettromagnetica.
E quindi, poiché la velocità di propagazione è praticamente sempre la stessa, sarà anche:
λ = c / f
e
f = c / λ
Esistono diversissime onde elettromagnetiche, che si distinguono principalmente per la lunghezza d'onda (e quindi per la frequenza) visto che la velocità di propagazione è sempre la stessa.
Ad esempio le onde radio sono onde elettromagnetiche di frequenza compresa tra i 0 e i 300 GHz (300.000.000.000 Hz), ossia con:
λmin = c/fmax = 300.000.000 (m/s) /(300.000.000.000 Hz) = 1/1000 m = 1mm
hanno quindi lunghezza d'onda superiore a 1mm.
Se guardate la vostra radio FM vedete che la frequenza va (di solito) da 87 a 108 MHz, ossia da 87.000.000 a 108.000.000 Hz, ossia da:
λmin = c/fmax = 300.000.000 (m/s) /(108.000.000 Hz) = 2,78 m
a:
λmax = c/fmin = 300.000.000 (m/s) /(87.000.000 Hz) = 3,45 m
La luce abbiamo detto che è una radiazione elettromagnetica di lunghezza d'onda che va da (circa) 380 nm a (circa) 780 nm. Al di fuori di questo intervallo il nostro occhio non percepisce nulla.
Si possono facilmente calcolare le corrispondenti frequenze: buon divertimento.
