Natura fisica della luce

La luce in senso stretto è la radiazione elettromagnetica percepibile con l’occhio umano. In senso fisico più ampio, la luce si riferisce ad una maggiore superficie di radiazione elettromagnetica, che si trova tra le radiazioni microonde e i raggi X. Oltre alla luce visibile, questa definizione comprende anche la luce a infrarossi e i raggi ultravioletti.

Dal punto di vista fisico, il fenomeno luce è descrivibile attraverso due modelli essenziali: da un lato la luce obbedisce alle leggi della teoria delle onde in aree macroscopiche. Per questo motivo la luce monocromatica può essere descritta come irradiazione elettromagnetica continua di una determinata frequenza e intensità. Ai diversi tipi di luce (ultravioletti, luce visibile, infrarossi, ma anche i singoli colori) possono essere associate frequenze e lunghezze d’onda specifiche. Sulla base di queste lunghezze d’onda, ordinate, si crea il noto spettro della luce visibile.

dove la frequenza dei singoli colori corrisponde al valore energetico relativo della luce. In termini relativi, la luce rossa ha meno energia della luce blu. La luce a infrarossi ha anche molta meno energia rispetto alla luce ultravioletta.

Un altro approccio si basa sulle caratteristiche fisico-quantistiche della luce: se si abbandona il campo macroscopico, si evidenzia la natura discontinua della luce (e di altre radiazioni elettromagnetiche).

L’energia d’irraggiamento, come nella teoria delle onde, non è trasmessa in modo continuo. Inoltre, l’energia appare caratterizzata da una determinata granulometria. La luce pertanto non è trasferita in piccole quantità di dimensioni a piacere ma è trasportata attraverso la trasmissione di piccolissime unità. Planck è stato il primo a scoprire questo fenomeno, coniando il concetto di “quanto di azione” (costante di Planck).

In analogia alla teoria delle onde, ogni quanto di luce possiede un’energia specifica che corrisponde a quella del relativo colore o della relativa lunghezza d’onda. Il singolo quanto di luce è indivisibile, pertanto la luce monocromatica è rappresentabile come multiplo di un tale quanto.

Entrambe le teorie sono legittime e si distinguono soprattutto attraverso i criteri che attribuiscono loro validità. Tale situazione è denominata dualismo onda-particella. Poiché questo filo conduttore prende in considerazione solo l’ambito macroscopico, la teoria ondulatoria sarà utilizzata prevalentemente a seguire.

In un approccio ancora più ampio, la luce è rappresentabile anche attraverso un modello di radiazione semplificato. Qui i raggi di luce sono raffigurati in una linea di collegamento tra fonte luminosa e un punto di destinazione. Con questo semplice modello è possibile descrivere con precisione già numerosi fenomeni ottici rilevanti come

Mescolando i singoli componenti monocromatici, si crea la luce mista. Se si considera la composizione spettrale di tale luce, anche dopo la miscela è possibile identificare e separare le singole parti monocromatiche. Le caratteristiche dell’onda dei tipi di luce utilizzati in origine rimangono pertanto immutate.

La miscela di singole parti monocromatiche per una luce policromatica può essere dilatata a piacere. In termini molto semplificati: se uno spettro contiene luce di tutte le lunghezze d’onda visibili e le loro intensità sono adeguatamente distribuite, tale luce ci appare di colore bianco. Il bianco ideale è qui rappresentato dallo spettro del sole.

La qualità di una fonte luminosa artificiale deve essere sempre confrontabile con le caratteristiche della luce solare perché i nostri occhi, in conseguenza di uno sviluppo durato milioni di anni, sono adattati a tale qualità della luce. La luce solare è di gran lunga la fonte di energia essenziale per tutte le forme di vita sulla terra. Ciò significa, semplificando, che i produttori (piante, alghe etc.), con l’aiuto dei processi di fotosintesi, trasformano energia e materie prime inorganiche in biomassa.

Molto spesso è osservabile una fotosintesi a base di clorofilla. In questo processo di sintesi, dall’anidride carbonica e dall’acqua si produce lo zucchero. Questo zucchero (glucosio) avvia altri processi in quanto fornisce energia alla respirazione cellulare. I consumatori (tutti gli animali, i funghi e l’uomo) consumano i produttori, partecipando pertanto in modo indiretto alla generazione di energia attraverso fotosintesi.

Oltre all’apporto di energia, la luce solare, in quanto uno dei fenomeni naturali dominanti, ha anche altre relazioni profonde con i sistemi biologici. Di conseguenza, il ritmo giorno-notte di 24 ore rappresenta la scansione del tempo essenziale della natura. Numerosi processi degli esseri viventi, anche dell’uomo, sono pertanto influenzati dalle diverse condizioni della luce solare nel corso della giornata. Anche le stagioni delle regioni lontane dall’equatore sono legate direttamente al fenomeno della luce attraverso l’irraggiamento solare variabile.