Onde e suoni

 

Origine dei colori

Abbiamo visto nelle precedenti sezioni che la luce può essere considerata come un'onda e che tutte le onde sono caratterizzate da una frequenza e da una lunghezza d'onda. La luce che il nostro occhio riesce a percepire copre un range di frequenze f molto limitato, compreso tra i 790 THz (7.9 · 10¹⁴ Hz) del violetto e i 395 THz (3.95 · 10¹⁴ Hz) del rosso. Andremo ora a ricavare quali sono le lunghezze d'onda associate a questi colori. Sappiamo che la velocità di propagazione della luce c = 3 · 10⁸ m / s lega tra loro la frequenza f e la lunghezza d'onda λ in base alla relazione c = λ · f. Invertendo questa relazione troviamo che λ = c / f da cui la lunghezza d'onda del violetto è:
λ = (3 · 10⁸ m / s) / (7.9 · 10¹⁴ Hz) = 0.38 · 10^-6 m = 380 nm.
Il rosso corrisponde invece a una lunghezza d'onda:
λ = (3 · 10⁸ m / s) / (3.95 · 10¹⁴ Hz) = 0.76 · 10^-6 m = 760 nm.

Tutti gli altri colori della luce visibile hanno lunghezze d'onda e frequenze comprese tra quelle del violetto e del rosso. Le onde elettromagnetiche con frequenza minore di 395 THz (onde radio, microonde, infrarosso) non sono invece visibili all'occhio umano, al pari delle onde elettromagnetiche aventi frequenze superiori a 790 THz (ultravioletto, raggi X, raggi gamma). Alcune molecole hanno la proprietà di assorbire la radiazione ultravioletta, invisibile, e riemetterla sotto forma di luce visibile all'occhio umano. Questo fenomeno prende il nome di fluorescenza ed è molto utilizzato, ad esempio nei giubbotti di sicurezza, negli evidenziatori e nelle palline da tennis.

In generale le sorgenti luminose non emettono luce monocromatica, ossia luce contenente un'unica frequenza. C'è però un'importante eccezione costituita dal laser: in un laser la maggior parte degli atomi si trova con i propri elettroni in uno stato eccitato. In queste condizioni una radiazione di lunghezza d'onda opportuna è in grado di stimolare il passaggio degli elettroni dallo stato eccitato allo stato fondamentale. L'energia E persa dagli elettroni in questo passaggio diventa energia della luce emessa dal laser. Dal momento che la differenza di energia tra un certo stato eccitato e il livello fondamentale di un atomo è un numero E fissato, anche la luce emessa dal laser ha un'energia E fissata. Ora l'energia della radiazione luminosa è legata alla frequenza f dalla seguente relazione: E = h · f, dove la costante h = 6.6 · 10^-34 J · s prende il nome di costante di Planck. Pertanto anche la frequenza f della luce emessa dal laser f = E / h è univocamente determinata (luce monocromatica). La luce che proviene dal Sole o da altre sorgenti luminose non è invece monocromatica. Per poter vedere le singole componenti cromatiche dobbiamo realizzare la dispersione della luce (ad esempio attraverso un prisma).

È interessante spendere qualche parola su qual è l'origine dei colori degli oggetti che ci circondano. Il colore degli oggetti è determinato dall'interazione tra la luce incidente e gli elettroni degli atomi che costituiscono l'oggetto: ogni materiale ha la proprietà di assorbire maggiormente alcune delle componenti cromatiche della radiazione luminosa incidente. Le altre componenti cromatiche vengono riflesse e, giungendo al nostro occhio, determinano il colore dell'oggetto in questione.

Vogliamo concludere questa sezione dedicata al colore cercando di capire qual è l'origine del colore del cielo: le particelle che costituiscono l'atmosfera hanno la peculiarità di diffondere maggiormente la luce avente piccola lunghezza d'onda (il blu per intenderci) piuttosto che il rosso. Pertanto quando guardiamo direttamente nella direzione del Sole vediamo una luce che ha tutte le componenti cromatiche, escluso il blu che è stato diffuso. Questa è la ragione per la quale la luce che ci proviene direttamente dal Sole ci appare di colore giallo mentre nel resto del cielo la colorazione dominante è il blu. Non solo, ma queste considerazioni ci permettono anche di capire perché all'alba e al tramonto il cielo appare rosso. In questa situazione infatti il Sole è molto basso e, per arrivare a noi, i raggi di luce devono percorrere un cammino nell'atmosfera più lungo. In questo percorso subiscono un numero maggiore di processi di diffusione e l'unico colore che arriva ai nostri occhi è il rosso perché, come abbiamo visto, è la componente della luce che viene diffusa di meno dalle particelle presenti nell'atmosfera.