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3. Luce: onde elettromagnetiche e colore

La luce, dunque, è una forma di energia raggiante (quanti di luce o fotoni); essa si propaga nell'aria e nel vuoto tramite onde elettromagnetiche.

La luce visibile è un particolare tipo di onda elettromagnetica.

Altre specie di onde elettromagnetiche sono le onde radio, il calore, i raggi x e i raggi ultravioletti.
La luce si diversifica da queste per il fatto di essere percepita dall'occhio umano. Essa, infatti, è capace di stimolare, arrivando sulla retina, impulsi o segnali nervosi che vengono trasmessi al cervello. Quest'ultimo li elabora e arriva a ricostruire una perfetta e straordinaria immagine tridimensionale a colori della realtà che ci circonda.

La luce ci dà padronanza delle cose, rivelandocele nelle loro forme, dimensioni e colori, consentendoci di valutarne distanza, posizione e movimento: essa, dunque, ci mette in comunicazione col mondo esterno assai più direttamente di qualsiasi altro veicolo di informazione, quale il suono e le sensazioni tattili o olfattive, è il nostro strumento di indagine e di conoscenza più ricco e completo.

Dunque: luce, colore, visione.

Ma che cosa c'è di fisicamente diverso tra le radiazioni visibili, quelle che il nostro occhio è capace di percepire, e tutte le altre, che invece ci raggiungono senza mettere in azione i nostri organi della vista? Per capire questo occorre stabilire le differenze tra le varie componenti luminose che chiamiamo colori e quindi analizzare la gamma delle onde elettromagnetiche.

Il concetto di frequenza di un'onda elettromagnetica viene definita come il numero di oscillazioni compiute in un secondo dai campi elettrico e magnetico.
La frequenza, che è evidentemente fissata dal comportamento della sorgente e non dal mezzo in cui l'onda si propaga, si misura quindi in cicli al secondo, o più semplicemente in Hertz (Hz).
D'altra parte, trattandosi di onde, è sempre possibile parlare di lunghezza d'onda, riferendoci alla distanza tra due massimi dell'onda stessa.
La lunghezza d'onda si misura ovviamente come qualsiasi altra distanza, cioè in metri, centimetri, ecc. a seconda dell'unità più adatta al caso. Per la lunghezza d'onda della luce visibile si usa comunemente come unità di misura il nanometro (simbolo nm), che corrisponde ad un miliardesimo di metro.
Un'altra grandezza è l'Ångström (Å) che è dieci volte più piccolo del nanometro. [ Fig. 1 ]

Lunghezza d'onda e frequenza non possono non essere in qualche modo collegate.
La relazione fra di esse è inversamente proporzionale, ossia tanto più corta è una, tanto più elevata è l'altra e viceversa.
Troviamo, infatti, che la frequenza della luce visibile cade approssimativamente tra 790 Thz, corrispondente al violetto estremo, e 395 Thz, corrispondente al rosso profondo, mentre la lunghezza d'onda è rispettivamente di 380 nm per la prima, e di 760 nm per la seconda.

L'occhio umano, dunque, è sensibile a una porzione assai piccola dell'intero spettro delle onde elettromagnetiche. Tra zero e 380 nm e da 760 nm all'infinito, si hanno altri tipi di onde elettromagnetiche che l'uomo o non è in grado di percepire affatto, o percepisce in modo diverso da quello visivo, per esempio come calore, se si tratta di radiazione infrarossa. [ Fig. 2 ]

Abbiamo dunque visto che le proprietà delle onde elettromagnetiche sono definite dalla loro frequenza o, ciò che è equivalente, dalla loro lunghezza d'onda.

Quando ci si limita alla regione della luce visibile tra 380 e 760 nm, la proprietà che più evidentemente varia con la lunghezza d'onda è quella che, al nostro occhio, appare come colore.

Nella vita quotidiana, raramente c'è dato di vedere luce di una sola lunghezza d'onda separata dalle altre (solo un laser è in grado di emettere una tale luce, che viene definita monocromatica).
La luce del sole, per fare l'esempio più ovvio, contiene tutte le frequenze che il nostro occhio può vedere, più le componenti infrarosse e ultraviolette, a noi invece appare completamente bianca.

Tutti avranno però notato che, quando la luce del sole incide un portacenere di cristallo sfaccettato o su qualsiasi altro oggetto trasparente che abbia una forma prismatica, essa si scinde in tutte le sue componenti cromatiche.
Sono gli stessi colori che si vedono nell'arcobaleno. Il fenomeno che sta alla base di questo comportamento si chiama dispersione della luce, e il portacenere è un elementare esempio di spettroscopio, cioè di strumento che permette di vedere separate le componenti di uno spettro luminoso.