La luce è un’onda o una particella? – Ishan, età 15, Dubai
Ciao Ishan! Grazie per la tua grande domanda.
La luce può essere descritta sia come onda che come particella. Ci sono due esperimenti in particolare che hanno rivelato la doppia natura della luce.
Quando pensiamo alla luce come fatta di particelle, queste particelle sono chiamate fotoni. I fotoni non hanno massa e ognuno di essi trasporta una specifica quantità di energia. Nel frattempo, quando pensiamo alla luce che si propaga come onde, queste sono onde di radiazione elettromagnetica. Altri esempi di radiazioni elettromagnetiche sono i raggi X e le radiazioni ultraviolette.
Vale la pena ricordare che la luce – indipendentemente dal fatto che si comporti come un’onda o come particelle – viaggerà sempre a circa 300.000 chilometri al secondo. La velocità della luce quando viaggia attraverso lo spazio (o un altro vuoto) è il fenomeno più veloce dell’universo, per quanto ne sappiamo.
L’esperimento della doppia fenditura
Immaginate di avere un secchio di palle da tennis. Due metri davanti a voi c’è un pannello solido con due fori. Un metro dietro quel pannello c’è un muro. Immergete ogni pallina nella vernice rossa e lanciatela in un buco e poi nell’altro. Un lancio riuscito lascerà un segno rosso sul muro retrostante, lasciando uno specifico schema di punti tondeggianti.
Lancia delle palle contro un muro e, se la tua mira è buona, otterrai uno schema di punti. Fornito dall’autore
Ora, supponiamo di sparare un singolo fascio di luce allo stesso pannello forato, sulla stessa traiettoria delle palline da tennis. Se la luce è un fascio di particelle, o in altre parole un fascio di fotoni, ci si aspetterebbe di vedere un modello simile a quello fatto dalle palle da tennis dove le particelle di luce colpiscono il muro.
Questo, tuttavia, non è quello che si vede. Invece, si vede un modello complesso di strisce. Perché?
Questo perché la luce, in questa situazione, si comporta come un’onda. Quando spariamo un fascio di luce attraverso i fori, questo si rompe in due fasci. Le due onde risultanti interferiscono tra loro per diventare più forti (interferenza costruttiva) o più deboli (interferenza distruttiva).
Una singola onda di luce si spezza in due, generando quello che viene chiamato un ‘modello di interferenza’. Fornito dall’autore
Le onde creano un modello a reticolo, che risulta in una serie di strisce sul muro. Nell’immagine qui sopra, le strisce sono più grandi e più luminose nei punti in cui le onde si uniscono. Gli spazi vuoti tra le strisce sono il risultato dell’interferenza distruttiva, e le strisce sono il risultato dell’interferenza costruttiva.
L’effetto fotoelettrico
L’esperimento precedente mostra che la luce si comporta come un’onda. Ma Albert Einstein ci ha mostrato che possiamo anche descrivere la luce come costituita da singole particelle di energia: i fotoni. Questo è necessario per spiegare qualcosa chiamato effetto fotoelettrico.
Quando si spara la luce su una lastra di metallo, il metallo emette elettroni: particelle elettricamente cariche. Questo è l’effetto fotoelettrico.
Prima di Einstein, gli scienziati cercavano di spiegare l’effetto fotoelettrico supponendo che la luce avesse solo la forma di un’onda. Per capire il loro ragionamento, immaginate delle increspature in uno stagno. Le increspature hanno dei picchi in cui l’onda si alza e delle depressioni in cui si abbassa.
Ora immaginate che nello stagno ci sia anche una barca con dei soldatini Lego a bordo. Quando le increspature raggiungono la barca, hanno il potenziale per buttare fuori i soldati. Più energia portano le increspature, maggiore è la forza con cui i soldatini saranno sbalzati via.
E poiché ogni increspatura può potenzialmente buttare fuori un soldato, più increspature raggiungono la barca entro un certo limite di tempo, più soldati possiamo aspettarci che vengano buttati fuori durante quel tempo.
Anche le onde luminose hanno picchi e avvallamenti e quindi si increspano in modo simile. Nella teoria ondulatoria della luce, queste oscillazioni sono legate a due proprietà della luce: intensità e frequenza.
In parole povere, la frequenza di un’onda luminosa è il numero di picchi che passano un punto nello spazio in un dato periodo (come quando un certo numero di increspature colpisce la barca in un tempo specifico). L’intensità corrisponde all’energia dell’onda (come l’energia portata da ogni increspatura nel nostro stagno).
Gli scienziati del XIX secolo immaginavano che gli elettroni su una lastra di metallo si comportassero in modo simile ai soldatini Lego sulla nostra zattera. Quando la luce colpisce il metallo, le increspature dovrebbero far perdere gli elettroni.
Più grande è l’intensità (l’energia delle increspature) più velocemente gli elettroni voleranno via, pensavano. Più alta è la frequenza in un determinato periodo di tempo, maggiore è il numero di elettroni che verranno scagliati via durante quel periodo – giusto?
Quello che vediamo in realtà è l’esatto contrario! È la frequenza della luce che colpisce il metallo che determina la velocità degli elettroni che vengono espulsi. Mentre l’intensità della luce, o quanta energia porta con sé, determina effettivamente il numero di elettroni che volano via.
La spiegazione di Einstein
Einstein aveva una grande spiegazione per questa osservazione particolare. Ha ipotizzato che la luce sia fatta di particelle e che non sia di fatto un’onda. Ha poi collegato l’intensità della luce al numero di fotoni in un fascio, e la frequenza della luce a quanta energia porta ogni fotone.
Quando più fotoni vengono sparati sul metallo (maggiore intensità), ci sono più collisioni tra i fotoni e gli elettroni, quindi viene emesso un numero maggiore di elettroni. Così, l’intensità della luce determina il numero di elettroni emessi, piuttosto che la velocità con cui volano via.
Aumentate l’intensità della luce, e quindi il numero di fotoni che bombardano una lastra di metallo, e vedrete anche un maggior numero di elettroni che vengono sparati via. Fornito dall’autore
Quando la frequenza della luce aumenta e ogni fotone porta più energia, allora anche ogni elettrone prende più energia dalla collisione – e quindi volerà via con più velocità.
Questa spiegazione valse a Einstein il premio Nobel nel 1921.
Onda o particella?
Considerando tutto ciò, rimane una domanda: la luce è un’onda che a volte ha l’aspetto di una particella o una particella che a volte ha l’aspetto di un’onda? C’è disaccordo su questo.
Io scommetto che la luce sia un’onda che, in certe condizioni, mostra proprietà simili alle particelle. Ma questa rimane una questione controversa, che ci porta nel regno eccitante della meccanica quantistica. Vi incoraggio a scavare più a fondo e a farvi un’idea!
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Questo articolo è ripubblicato da The Conversation sotto una licenza Creative Commons. Leggi l’articolo originale.