LA NATURA DELLA LUCE

La luce è un fenomeno fisico di natura energetica. Se, per esempio, riscaldiamo un corpo di materiale metallico fino a una certa temperatura, otteniamo un'emissione luminosa. La propagazione avviene sotto forma di radiazioni nello spazio vuoto e nei materiali solidi, liquidi e aeriformi, che consideriamo trasparenti alla luce. Una teoria scientifica - la teoria ondulatoria della luce - interpreta queste radiazioni come onde elettromagnetiche: un alternarsi ciclico di campi elettrici e magnetici concatenati, generati da rapidissime oscillazioni di cariche elettriche, variabili in intensità con legge sinusoidale e perpendicolari alla direzione in cui si muovono le radiazioni. Un fascio di luce è composto da un insieme di onde elettromagnetiche trasversali rispetto alla direzione di propagazione.
Assunta come fenomeno di tipo ondulatorio, la radiazione elettromagnetica é caratterizzata da due grandezze fisiche: la lunghezza d'onda e la frequenza. La lunghezza d'onda, indicata solitamente con la lettera greca l, è la distanza, espressa in nanometri, percorsa dall'onda durante un ciclo completo di oscillazione. Il nanometro - unità di misura adottata dalla CIE (Commission Internationale de l'Eclarage) - è un sottomultiplo del metro: 1 nanometro (nm) equivale ad un miliardesimo di metro: 1 nm = 10^-9 m. La frequenza, che ha per simbolo la lettera greca ¦ è il numero di cicli completi di oscillazione che avvengono in ogni secondo. Si esprime in hertz (Hz): 1 hertz equivale ad un ciclo al secondo.

L'onda elettromagnetica

Figura 1.1

Sia i materiali condensati, cioè i solidi e i liquidi, che gli aeriformi, cioè i gas e i vapori, mantenuti a una temperatura superiore allo zero assoluto, generano radiazioni elettromagnetiche di diverse lunghezze d'onda e frequenze.
L'insieme delle radiazioni conosciute è rappresentato nello spettro elettromagnetico. L'intervallo di lunghezza d'onda contenuto nello spettro è molto ampio: dai 10^-5 nm ai 10¹⁶ nm, come si vede nella figura 1.2. Procedendo a ritroso dalle radiazioni con l più grande, troviamo il gruppo delle onde radio (suddivise in lunghe, medie, corte, ultracorte) che coprono complessivamente una gamma molto estesa: dalle migliaia di chilometri fino a pochi centimetri. Le più lunghe sono usate per le trasmissioni radio a grandissima distanza. Le più corte servono nei trasmettitori e ricevitori radiofonici, televisivi e nei radar.

Figura 1.2

Numerose sono le applicazioni delle microonde, radiazioni con l dell'ordine dei millimetri e frequenze che si estendono da circa 1 gigahertz alle centinaia di gigahertz (1 GHz = 109 Hz). Sono adottate tra l'altro nelle telecomunicazioni via satellite, nelle ricerche di fisica delle particelle e di radioastronomia, nel telerilevamento, in medicina a fini diagnostici e nelle terapie antitumorali. Gli impieghi di tipo domestico riguardano i sistemi di allarme antintrusione e i forni per la cottura in profondità dei cibi. Per quest'ultima si sfrutta la singolare proprietà delle microonde di disperdere una parte della loro energia sotto forma di calore all'interno dei corpi intercettati. La proprietà di trasferire energia termica contraddistingue tutta la famiglia delle radiazioni infrarosse, che occupa lo spettro da l = 1 mm a l = 780 nm. Nella tabella 1.1 sono indicate le radiazioni infrarosse con la simbologia (IR-A, IR-B, IR-C) e la ripartizione per intervalli di lunghezze d'onda stabilite convenzionalmente in sede CIE.

Anche per le radiazioni ultraviolette si usa un pratico criterio di raggruppamento convenzionale basato sulle sigle UV-A, UV-B, UV-C, che serve, come meglio vedremo in seguito, a classificarle in funzione degli effetti prodotti sugli organismi viventi e sui materiali irraggiati. La ripartizione è qui di seguito riportata:

La banda dei raggi ultravioletti si sovrappone in parte a quella dei raggi X e questi, a loro volta, invadono il campo dei raggi gamma.
I raggi X sono le note radiazioni a lunghezza d'onda cortissima e frequenza molto elevata prodotte da strumenti costruiti dall'uomo. Dalle esplosioni nucleari si sprigionano i raggi gamma. Dagli spazi siderali riceviamo sia i raggi gamma che i raggi cosmici. Insieme occupano l'area estrema dello spettro.
Le radiazioni che l'organo visivo dell'uomo e in grado di ricevere e di tradurre in impulsi nervosi occupano una piccola porzione dello spettro: da 380 nm (limite dell'ultravioletto) a 780 nm (limite dell'infrarosso). Definiamo luce la sensazione prodotta dalle radiazioni comprese tra questi valori estremi di l. Solo all'interno di questo intervallo l'apparato visivo umano compie le proprie funzioni: ricevere, selezionare, strutturare le radiazioni provenienti dall'esterno e trasformarle in segnali nervosi da inviare ai lobi della corteccia cerebrale, dove sono codificati attraverso la complessa catena di reazioni fisico-chimiche che presiede al fenomeno della percezione visiva.
In quella piccola regione dello spettro elettromagnetico è concentrata l'energia indispensabile alla vita di tutta la biosfera. L'intero mondo vegetale vive e si riproduce convertendo l'energia contenuta nelle radiazioni luminose in energia chimica, attraverso il noto processo della fotosintesi clorofilliana. Grazie alla luce, le sostanze organiche complesse, costituite da molecole di carboidrati, sono sintetizzate, con il rilascio di ossigeno nell'aria, a partire da sostanze inorganiche semplici. La riproduzione delle piante - primo anello della catena alimentare - fornisce i materiali di base per la vita degli animali e dell'uomo.