“Fiat lux”, ovvero “sia fatta la luce”, è una famosa espressione della Bibbia, e anche un modo di definire l’improvviso chiarirsi di un concetto. La luce è fondamentale per osservare il mondo in cui viviamo. Ma dal punto di vista fisico che cos’è esattamente?
La luce è una radiazione elettromagnetica, cioè costituita da onde elettromagnetiche che, partendo da una sorgente, sono in grado diffondersi in tutte le direzioni nello spazio.
La velocità della luce (c) nel vuoto ha un valore di circa 300 000 km/s, e rappresenta una costante fisica, ovvero non cambia al variare del sistema di riferimento. Per la sua natura di onda, la luce è caratterizzata da picchi e gole, cioè da punti di massimo e minimo di ampiezza. La distanza fra due picchi (o due gole) è la lunghezza d’onda (λ), la quale si misura in multipli e sottomultipli del metro, mentre la frequenza (ν) è il numero di oscillazioni complete al secondo, misurata in hertz (Hz).
Queste due grandezze sono inversamente proporzionali fra loro, in quanto:
λ = c/ν
Di conseguenza un’onda a bassa frequenza ha una lunghezza d’onda molto elevata, e viceversa.
La luce però esibisce anche un comportamento corpuscolare, oltre che ondulatorio. Malgrado questo, essa non può essere considerata come materia ordinaria non essendo dotata di massa.
E' tuttavia costituita da fotoni, dei pacchetti discreti (quanti) di energia. L’energia del fotone è direttamente proporzionale alla frequenza d’onda, come spiegato dalla legge di Planck:
E = hν
Dove la costante di Planck (h) è pari a circa 6,626x10-34 J s.
A seconda della lunghezza d’onda, siamo in grado di identificare diversi tipi di radiazioni, che nel loro insieme formano lo spettro elettromagnetico.
La luce visibile dall’occhio umano ha una lunghezza d'onda che va da 380 nm (colore violetto) e 750 nm (colore rosso), e comprende tutti i colori dell’arcobaleno (lunghezze d'onda che corrispondono a frequenze comprese tra 3,8 x 1014 e 7,8 x 1014 hertz, vedi figura). Altri animali sono in grado di captare anche lunghezze d'onda diverse, come l’infrarosso (IR) e l’ultravioletto (UV). Come messo in evidenza dalla legge di Planck, le onde a energia maggiore sono i raggi gamma (γ), i quali sono pericolosi per l’uomo e utilizzati con cautela in diverse applicazioni (es. chirurgiche). Le onde radio, a bassissima energia, sono comunemente utilizzate per le comunicazioni sul pianeta.
La spettroscopia è la disciplina che studia le caratteristiche delle onde luminose facendo uso dello spettro. Lo spettro è il disegno che viene proiettato su uno schermo, o su una lastra fotografica, quando una luce bianca attraversa un prisma. Questo fenomeno fisico è chiamato rifrazione. Esistono diversi tipi di spettri, che rispecchiano le caratteristiche peculiari della sorgente luminosa. Ovviamente ciò che noi osserviamo è soltanto la luce visibile.
Lo spettro di emissione continuo è caratterizzato dalla presenza di tutte le lunghezze d’onda ed è tipico di un corpo nero, il quale è definito come un oggetto in grado di assorbire ed emettere radiazioni a tutte le lunghezze d’onda (anche quelle che non vediamo). Non esiste un corpo nero ideale, ma le stelle si comportano come tali con ottima approssimazione.
La legge di Wien enuncia che la lunghezza d’onda massima alla quale una stella emette luce è inversamente proporzionale alla sua temperatura assoluta:
λmax = cost/T
dove cost è un valore costante che prende il nome di costante dello spostamento di Wien.
Altra legge fondamentale è quella di Stefan-Boltzmann, che sottolinea come l’energia irradiata da un corpo nero per unità di superficie e per unità di tempo sia direttamente proporzionale alla quarta potenza della temperatura:
E = σT4
dove la costante di Stefan-Boltzmann (σ) vale 5,67x10-8 W m-2 K-4. L’energia totale emessa, correlata al numero di fotoni partiti dalla sorgente, dipenderà invece dalle dimensioni della stella.
Lo spettro di emissione a righe deriva da un gas rarefatto ad alta temperatura, in grado di emettere luce. A causa della struttura atomica dei vari elementi, ognuno di essi avrà uno spettro caratteristico, con righe in corrispondenza di determinate lunghezze d’onda. Poichè ciò vale sempre, lo spettro è un utile strumento per identificare in maniera univoca una sostanza.
Lo spettro di assorbimento si ottiene quando un gas viene attraversato dalla luce proveniente da una sorgente più calda. Questo spettro mostrerà tutte le lunghezze d’onda, ma mancherà di alcune righe, proprio quelle che lo stesso gas in altre condizioni emetterebbe. In sintesi esso è il “negativo” dello spettro di emissione.