Come varia l’intensità e la frequenza dei quanti di luce?Come si possono deviare in un tubo vuoto?
Due bellissime domande! Spiegare i comportamenti della luce non è facile e scienziate e scienziati si sono interrogati per secoli sulla natura di questi fenomeni.
Possiamo pensare che la luce sia formata da piccoli “pacchetti” chiamati “quanti“, ognuno dei quali trasporta una certa quantità di energia. I quanti di luce vengono chiamati anche “fotoni”. L’energia di ogni fotone è legata alla sua frequenza e questa, a sua volta, è legata al colore della luce stessa. Pensa all’arcobaleno: la sua “luce rossa” ha una frequenza più bassa della sua “luce violetta” e ha quindi meno energia. Nella luce che vediamo di solito però (ad esempio la luce che ci arriva dal sole o da una lampadina) non abbiamo un solo colore perché le diverse frequenze sono sovrapposte: questo vuol dire che i fotoni di energie diverse stanno viaggiando tutti insieme.
E qui arriviamo alla prima delle due risposte: per cambiare la frequenza di un singolo fotone, dovremmo cambiare la sua energia. Noi però non siamo in grado di modificare l’energia di un singolo fotone, possiamo solo provare a modificare il comportamento di un gruppo di fotoni, ad esempio quelli che compongono un raggio di luce.
Ad esempio, se un raggio di luce attraversa un gas, gli atomi del gas possono assorbire i fotoni di una certa energia, per poi riemetterli con un’energia più bassa. Nel raggio di luce che esce dal gas, quindi, il numero di fotoni con una certa energia sarà diverso dal numero di fotoni dello stesso tipo nel raggio di luce che era entrato nel gas. Quanti e quali fotoni vengono assorbiti e riemessi dipende dalle caratteristiche del gas utilizzato.
Un’altra “modifica” che possiamo realizzare sui fotoni che compongono un raggio di luce riguarda la direzione in cui essi si stanno muovendo. Quando un raggio di luce attraversa un materiale denso, ad esempio il vetro o l’acqua, la direzione in cui ogni fotone si sta muovendo viene modificata e la modifica è tanto più grande quanto più e grande l’energia del fotone stesso. In questo modo, è possibile separare i fotoni di energie diverse, facendoli andare in direzioni diverse: è proprio così che si forma l’arcobaleno quando la luce attraversa le gocce di pioggia!
Ci sono poi materiali su cui i fotoni “rimbalzano”, cioè invece di attraversare il materiale vengono da questo riflessi.
Ed ecco infine la risposta alla seconda domanda: per far spostare un fotone in una certa direzione, il modo migliore è farlo riflettere ripetutamente su diverse superfici. È questo il modo in cui funzionano le fibre ottiche che portano internet nelle nostre case!
A questa domanda di Andrea M. ha risposto Sarah Libanore.