Lo spettro elettromagnetico della luce include tutte le radiazioni dai raggi gamma alle microonde che presentano diversa energia.
Sulla natura della luce si è discusso per secoli e con autorevoli pareri peraltro contrastanti. Già nel 1600 in Inghilterra Newton riteneva che la luce fosse formata da uno sciame di particelle infinitesime che, uscendo dalla sorgente che li generava, si propagavano in linea retta e in tutte le direzioni dello spazio.
Per contro, il fisico olandese suo contemporaneo Huygens sosteneva che la luce aveva comportamento ondulatorio. Essa si propagava nello spazio come un’onda, allo stesso modo con cui la superficie piatta di uno stagno si increspa, generando onde circolari concentriche, quando è colpita da un sassolino. All’epoca l’ipotesi corpuscolare fu accantonata e fino alla fine del XIX secolo si considerò solo la natura ondulatoria della luce.
Onde
Prima di considerare la luce sotto l’aspetto ondulatorio, vediamo cosa si intende con il termine di onda.
A tal scopo consideriamo un’onda meccanica generata, per esempio dalla caduta di un sassolino in uno stagno. Un osservatore posto al livello dell’acqua vede passare davanti a sé delle creste separate da avvallamenti. La distanza che intercorre tra due creste dell’onda si chiama lunghezza d’onda e si indica con la lettera greca λ come si può vedere in figura:
Si chiama periodo l’intervallo di tempo T che intercorre tra due creste successive in un dato punto. Il periodo è legato alla lunghezza d’onda dalla relazione:
λ = cT dove c è la velocità di propagazione dell’onda. Il numero di creste che, nell’unità di tempo, passano davanti all’osservatore dipende dalla lunghezza d’onda: quanto più è piccola λ tanto più numerose saranno le creste osservate. Si definisce frequenza il numero di periodi che un’onda compie nell’unità di tempo e si indica con la lettera greca ν (ni) .
Poiché ν = 1/T allora λ = c/ ν
dove c è la velocità della luce (≅ 3 ∙ 108 m/s).
Poiché si ritiene che le onde luminose si propaghino nello spazio con le stesse modalità di un’onda meccanica valgono per esse le stesse relazioni. La luce che noi percepiamo è solo una piccola parte ( campo del visibile) delle numerosissime vibrazioni che ci giungono attraverso lo spazio dal Sole, la cui intera gamma costituisce lo spettro elettromagnetico.
La luce solare appare al nostro occhio bianca mentre in realtà essa è il risultato della sovrapposizione di molte radiazioni monocromatiche di colore diverso. Il nostro occhio rivela le radiazioni la cui lunghezza d’onda rientra nel campo da 700 nm ( luce rossa)a 400 nm ( luce violetta).
Spettro elettromagnetico
In tabella sono riportati i tipi di radiazione, la frequenza e la lunghezza d’onda.
| Tipo di radiazione | Frequenza 104 Hz | Lunghezza d’onda nm |
| Raggi X e γ | ≥ 103 | ≤ 3 |
| Ultravioletta | 8.6 | 350 |
| Luce visibile | ||
| violetta | 7.1 | 420 |
| blu | 6.4 | 470 |
| verde | 5.7 | 530 |
| gialla | 5.2 | 580 |
| arancio | 4.8 | 620 |
| rossa | 4.3 | 700 |
| Infrarossa | 3.0 | 1000 |
| Micronde e onde radio | ≤ 10-3 | ≥ 3 x 106 |
La luce bianca, se fatta passare attraverso un prisma, si scompone nello spettro continuo di 7 colori che sfumano gradualmente dal rosso al violetto.
Spettro a righe
Se la luce, però, attraversa un gas rarefatto si ottiene uno spettro a righe come si può vedere in figura:
Come aveva ipotizzato Dalton per la materia che non poteva essere scomposta all’infinito, anche l’energia non poteva essere suddivisa all’infinito.
Max Planck ipotizzò che l’energia fosse emessa o assorbita non in modo continuo ma in piccole quantità dette quanti. Fu grazie a queste scoperte che Bohr poté formulare il suo modello e stabilire l’esistenza di livelli energetici definiti, da cui dedusse il concetto di orbita.
Alcuni fenomeni come l’effetto fotoelettrico, non sono spiegabili con la teoria ondulatoria. Einstein dimostrò che la luce aveva anche una natura corpuscolare e le particelle chiamate fotoni, corrispondono ai quanti di Planck. La teoria di Bohr considera l’elettrone come una particella di materia.
Le esperienze fatte sulla luce avevano dimostrato che essa aveva un duplice comportamento, corpuscolare e ondulatorio insieme. La luce in certe situazioni si comportava da particella ( fotone) e in altre come onda elettromagnetica. De Broglie nel 1925 affermò che anche l’elettrone doveva avere contemporaneamente una natura corpuscolare e ondulatoria. Ciò fu confermato da successivi esperimenti: un fascio di elettroni infatti poteva dare fenomeni di rifrazione, diffusione, interferenza tipici delle onde oltre che comportarsi come particella.