Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 2/7: la LUCE VISIBILE è un'onda EM

2° appuntamento con la radiazione ElettroMagnetica (che per comodità chiamiamo brevemente EMR o radiazione EM).
In corretta sequenza, dopo la presentazione generale, avrei dovuto iniziare ad un estremo dello Spettro, con le onde Radio, ma ho deciso di partire con la radiazione che ci è più familiare, la LUCE VISIBILE.

All'interno dello spettro EM, che è costituito come dicevamo, dall'insieme delle radiazioni EM e comprende l'intera gamma delle lunghezze d'onda esistenti in natura, solo una piccolissima porzione appartiene allo spettro visibile, cioè all'insieme delle lunghezze d'onda a cui l'occhio umano è sensibile e che sono alla base della percezione dei colori.

La luce visibile è per noi l'approccio più diretto e comprensibile dello spettro EM, perché sappiamo cos'è, lo riconosciamo.

L'aggettivo "visibile" ci dice che quella che vediamo con gli occhi è però solo una parte della Luce totale.

Quindi quant'è questa "parte" o percentuale?

In realtà la risposta è: davvero molto poca!!!
(come poca è la quantità di onde sonore che il nostro orecchio può percepire rispetto alla vasta gamma disponibile, in questo senso i nostri sensi sono davvero limitati e "studiati" per adattarsi all'ambiente meraviglioso ed unico in cui viviamo)

- La luce visibile è un'onda EM

Come molti di voi ricorderanno dalle lezioni di Scienze a scuola, tre secoli fa il grande scienziato inglese Newton scoprì che, quando un raggio di luce solare entra in un prisma di vetro, le componenti cromatiche associate alle lunghezze d'onda subiscono una rifrazione che è diversa per ciascuna di esse, su di uno schermo posto dopo il prisma: la luce sarà dispersa, colore per colore, su una vasta zona. 




Traducendo:
scomposto da un prisma di vetro, il raggio di luce visibile che sembra bianco (monocromatico) è in realtà composto dalla somma dei colori dell'arcobaleno che conosciamo, ma ognuno di quei colori, con tutte le sue numerose gradazioni, corrisponde ad una precisa lunghezza d'onda definita in nanometri "nm".



Brevissimamente, ma proprio flash, vediamo com'è composta quest'onda.


Le 3 caratteristiche principali di una onda sono:

- lunghezza d'onda (wavelength), la distanza tra due creste successive
- ampiezza (amplitude), la distanza tra una cresta ed il piano mediano che interseca l'onda
- frequenza (frequency), la quantità di oscillazioni (oscillations) che l'onda compie nell'unità di tempo (con unità di misura Hertz, oscillazioni al secondo).

La frequenza è inversamente proporzionale alla lunghezza d'onda: minore è la lunghezza d'onda, maggiore è la frequenza, e viceversa.

Ecco qui, sempre per avere più opportunità di comprendere bene, un'altra immagine dove si vede bene cos'è la singola oscillazione. 

La frequenza è inversamente proporzionale alla lunghezza d'onda:
significa che minore è la lunghezza d'onda, maggiore è la frequenza, e viceversa.
Esattamente come una molla:
se la comprimo (< lunghezza d'onda) si schiaccia (> frequenza spire - a destra);
se la distendo (> lunghezza d'onda) si allunga (< frequenza spire - a sinistra).

L'energia inoltre aumenta con l'aumentare della frequenza

La cosa interessante che può essere utile sapere è che ai fini della visione dei colori, 
l'ampiezza dell'onda influisce sull'intensità luminosa dello stimolo elaborato dal cervello, mentre 
la lunghezza dell'onda influenza la tonalità del colore percepito.
Ad esempio, l'onda elettromagnetica di lunghezza compresa tra i 650 e i 700 nanometri (nm) provoca in una persona con capacità visiva normale la visione del colore rosso.



- Dove si posiziona la luce visibile nello spettro EM?

Nella lunga scala che contiene tutta la radiazione EM, lo spettro della luce visibile all'occhio umano è limitato come vedete ad una piccola porzione, quella che va:

da 750 nanometri nm (colore rosso) 
a 400 nanometri nm (colore viola)


Ricordate bene, perché questa è la nostra soglia nel visibile!

Lunghezze d'onda e frequenze corrispondenti a questi colori

Per curiosità, nel dettaglio, eccovi in nanometri le varie gradazioni dei colori spettrali:
>>> da 400 a 430 nm: zona del violetto
>>>  da 430 a 490 nm: zona del BLU e sue seguenti tonalità intermedie:
da 430 a 465 nm : indaco
da 466 a 482 nm : blu
da 483 a 490 nm : blu verdastro
>>>  da 491 a 560 nm: zona del VERDE e sue seguenti tonalità intermedie:
da 490 a 498 nm : verde bluastro
da 499 a 530 nm : verde
da 531 a 560 nm : verde giallastro
>>>  da 561 a 580 nm: zona del GIALLO e sue seguenti tonalità intermedie:
da 561 a 570 nm : giallo-verde
da 571 a 575 nm : giallo citrino
da 576 a 580 nm : giallo
>>>  da 581 a 620 nm:  zona dell'ARANCIONE e sue seguenti tonalità intermedie:
da 581 a 586 nm: arancione giallastro
da 587 a 596 nm : arancione
da 597 a 620 nm : arancione rossastro
>>>  da 620 a 700 nm :  zona del ROSSO e sue tonalità intermedie:
da 621 a 680 nm : rosso
da 681 a 700 nm : rosso profondo

Colori spettrali:
sono componenti identificabili attraverso la scomposizione (spettro) della luce bianca attraverso il prisma, cioé quelli qui sopra
Colori non spettrali:
non sono colori spettrali, ma altri colori visibili, come il rosa e il marrone, generati da una mescolanza di due o più dei colori spettrali
Porpore:
mescolando in varie proporzioni i due colori estremi dello spettro visibile, il rosso e il violetto, si ottiene tutta una gamma di colori non spettrali


Osservate l'immagine qui sotto; abbiamo tutta la scala della radiazione EM generale, il cosiddetto Spettro EM, dove ai due estremi abbiamo le Onde Radio (a sinistra) e i Raggi Gamma (a destra),

ma attenzione, 

come già detto, a volte trovate schemi con invertite le posizioni
(quindi "x, gamma" a sinistra e "infrarossi e radio" a destra).

Basta non fare confusione e ricordare che verso le onde radio l'onda si allunga verso i chilometri, mentre in direzione dei raggi gamma si accorcia fino al microscopico.
Può anche aiutare ricordare che parte degli ultravioletti è assolutamente dannosa per gli esseri umani, così come i raggi X e i raggi Gamma (onde ionizzanti), mentre l'altra parte degli ultravioletti assieme agli infrarossi e radio è innocua (onde non ionizzanti).

La stessa immagine, invertita come già avvisato può succedere, in inglese

Questo concetto è più chiaro nelle prossime 2 immagini, dove vedete chiaramente l'onda (a sinistra è molto lunga e poco frequente - radio - mentre procedendo verso i raggi gamma diventa sempre più corta e più frequente andando verso il mondo microscopico).

Ricordo, per conoscenza e chiarezza, che quando si va nel microscopico, abbiamo le unità di misura:
- micrometro (µm) è la millesima parte del millimetro quindi la milionesima del metro
1 mm = 1.000 µm
1 µm = 0,001 mm = 0,000001 m

- nanometro (nm) è la millesima parte del micrometro quindi la miliardesima del metro
1 µm = 1.000 nm = 0,001 mm
1 nm = 0,001 µm = 0,000000001 m


All'interno di questo ampio spettro, la luce visibile, cioé la parte di radiazione EM che il nostro occhio riesce a percepire, occupa sempre uno spazio ridottissimo (750 - 400 nm).

- La luce visibile è ancora nella fascia delle 
onde NON ionizzanti 
(quindi non pericolose per la salute)

- La luce visibile arriva fino alla superficie terrestre e non viene quindi filtrata dagli strati atmosferici 
(come avviene invece per i raggi cosmici primari, i raggi gamma, i raggi x, parte dei raggi UV e parte dei raggi IR). Tuttavia la luce visibile, così come gli IR, non penetra nubi e foschia (in base alla densità delle nubi poi si ha maggiore o minore effetto filtro).

E' bene sottolineare, quindi, che tutte le frequenze al di fuori del visibile non sono rivelate all’occhio umano, dunque sono invisibili (area nera della tabella).

Per poter accedere anche a quelle fasce di frequenze, servono strumenti sensibili alle onde Radio, Microonde, InfraRosso (IR), UltraVioletto (UV), raggi X e Gamma. Se per la luce visibile, le onde Radio-Microonde e parte degli IR e degli UV basta restare sulla superficie terrestre, per poter invece studiare i restanti IR ed UV, i raggi X e Gamma servono satelliti e telescopi in orbita appositamente predisposti.



- Cosa vuol dire "vedere" un oggetto?
I raggi di luce colpiscono gli oggetti, vengono da questi diffusi in tutte le direzioni, ed entrano nei nostri occhi. 
"Vedere un oggetto significa quindi essere colpiti dalla luce che l'oggetto ha ricevuto e riflesso in direzione del nostro occhio."

Per concludere 3 aspetti interessanti collegati alla vista:

1) Scrutare il Cielo è 
"Guardare nel Passato" e "Viaggiare nel Tempo"
Questo aspetto evidenzia il tempo che ci mette la luce (di una stella, ma anche del Sole o della stessa Luna) ad arrivare a noi. La luce che stiamo guardando non è partita nel momento in cui stiamo guardando (visita il post sui "Tranelli Astronomici" della serie "Forse non sapevi che..."), bensì: 

• secondi, 
• minuti, 
• ore e via dicendo fino a 
• secoli, 
• millenni, 
• milioni o miliardi di anni prima. 

Non è proprio un ragionamento così scontato. 
Quando mi capita di rifletterci su bene, lo trovo sempre fantastico, affascinante, emozionante e trovo che aiuti ad espandere le nostre coscienze. 

Ecco qui un esempio di come, ad un osservazione diretta ad occhio nudo, non possiamo renderci conto di quanta profondità ci sia là fuori.

La foto è conosciuta come XDF che sta per Hubble eXtreme Deep Field (campo estremamente profondo del telescopio Hubble)

In quel minuscolo quadratino rosso a fianco della Luna, ingrandito, una visione di campo profondo dell'Universo dove sono visibili decine di galassie...

Più si guarda in profondità e più il tempo arretra, perché gli oggetti lontani migliaia, milioni e miliardi di anni luce (billion years) hanno impiegato appunto migliaia, milioni e miliardi di anni per far arrivare la loro luce fino a noi...





Badate bene che quando scrivo "più si guarda in profondità e più il tempo arretra...", dovete cercare di capire che ciò è dovuto al fatto che là fuori gli spazi sono talmente immensi e sconfinati che l'idea stessa di Spazio e Tempo acquista tutto un altro senso. Tutto è così LONTANO che non riusciremmo mai, neppure con la fantasia più potente e brillante, a comprendere e raggiungerne i presunti limiti.

Spingendosi fino all'origine di tutto, il Big Bang, 13,7 miliardi di anni fa. La Radiazione Cosmica di Fondo, sempre presente in tutto l'Universo, è testimonianza di quell'epoca.












2) Nulla di ciò che vediamo in cielo - Sole, Luna, pianeti, stelle - è lì dove sembra.

(Estratto di un articolo del giornalista scientifico Piero Bianucci su "Laboratorio Tuttoscienze")

"La posizione di un corpo celeste (sia esso Stella, Sole o la stessa Luna) non è lì dove sembra essere ai nostri occhi, bensì è spostato a causa di alcuni fattori".  

Vediamo le variabili in gioco:

>>> gli oggetti celesti sono tanto lontani che la luce, pur viaggiando alla spaventosa velocità di 300.000 km/secondo, per arrivare fin da noi sulla Terra impiega 
-- 1,3 secondi partendo dalla Luna, 
-- lunghissimi incredibili 8 minuti dal Sole, 
-- ben 4 anni da Proxima Centauri, la stella più vicina, 
-- e qualcosa di assolutamente incomprensibile come 2,3 milioni di anni dalla galassia di Andromeda.

Secondi, minuti, anni di cui bisogna tener conto quando si osserva. Queste tempistiche infatti "spostano" gli oggetti rispetto a noi che guardiamo, e nel caso di oggetti "vicini" è tanto più evidente.


Per avere una chiara ed emozionante idea, pubblico qui questo video della 
Association Astro Photo Météo 53, in cui è ripresa la Luna con un telescopio amatoriale e si nota benissimo la notevole velocità con cui scorre via lungo lo schermo, tanto che è necessario correggere costantemente la direzione di puntamento se si vuole mantenerla nell'obiettivo. Chi ha avuto esperienza di questo tipo di osservazione sa quanto sia affascinante ed emozionante, perché sembra di poterla toccare, tanto viene avvinata dal telescopio. Io stesso ho avuto un fratello che mi ha fatto provare l'esperienza quando ero adolescente e non l'ho mai scordata.

Ricordatevi, guardando questo breve bellissimo video, che la luna illuminata che state guardando è la Luna di 1,3 secondi fa quindi non è veramente in diretta. 

Perché l'illusione che si ha sempre in questi casi è quella di essere convinti che sia davvero "vicina", ma così non è! 
Ripropongo, come altre volte ho fatto, il confronto che rende bene l'idea, per rammentare la reale distanza che ci separa da lei.

Noi siamo davvero portati a credere, guardando il video, che sia così.....

E INVECE, PAZZESCO, 
E' COSI' !!!!!!!!!!










>>> c'è il fenomeno della "aberrazione" della luce, detto anche "aberrazione astronomica" o "aberrazione stellare", legato al fatto che tutto l'universo, compreso il nostro sistema solare, è in costante ed incredibile movimento: in pratica "non solo tutti gli oggetti celesti sono in movimento, ma noi raccogliamo la loro luce osservando da un pianeta a sua volta in movimento". 

Quando ci muoviamo la pioggia sembra provenire da una zona di cielo davanti a noi, mentre in effetti proviene dalla nostra perpendicolare. 
Lo stesso effetto si verifica per la luce, che cade a perpendicolo sulla terra, ma essendo la Terra in movimento intorno al Sole, sembra che venga da una zona di cielo leggermente diversa, in avanti rispetto all'osservatore.
Così le stelle appaiono sempre proiettate in avanti (nel verso del moto della Terra) rispetto alla loro posizione reale.

Credit Roberto Zanasi

Il movimento distorce quindi la reale posizione degli oggetti osservati.


>>> poi c'è la "rifrazione" atmosferica: la luce degli oggetti celesti, che sia da loro prodotta (Sole e stelle) oppure riflessa (Luna), attraversa l'atmosfera e viene da questa deviata. 
L'entità della rifrazione dipende da

* l'altezza dell'oggetto sull'orizzonte
* la densità e temperatura dell'aria 
* il colore della luce

"Noi non ce ne rendiamo conto ma talvolta, in condizioni particolari, la rifrazione ci fa letteralmente vedere qualcosa che non c'è, almeno non lì dove lo stiamo guardando." Illusione chiamata Fata Morgana.

"In sintesi, la luce stellare viene deviata passando dal vuoto dello spazio all'atmosfera... (nell'immagine il raggio viene deviato tanto da far credere a chi osserva, che sia partito da S', mentre la reale posizione è S)  

...e poi ancora viene deviata nell'attraversamento dell'atmosfera mano a mano che incontra strati più spessi e più densi."

"Quindi la rifrazione non avviene solo nel passaggio tra vuoto e aria, bensì anche dentro ad uno stesso mezzo la cui densità varia in modo uniforme."

La rifrazione atmosferica è una deviazione curvilinea, una serie cioè infinita di brevi segmenti retti tangenti alla linea curva tale da sovrapporsi quasi esattamente ad essa."

In conclusione, la rifrazione atmosferica è talmente importante che, pensate, 
"in Italia in condizioni normali, a livello del mare e con temperatura di 0 °C, all'alba e al tramonto vediamo il Sole per intero benché esso si trovi completamente SOTTO l'orizzonte" L'illusione è chiamata Fata Morgana. 

I raggi del Sole, entrando nell'atmosfera terrestre, devìano, dandoci l'illusione di vedere ancora il Sole, mentre esso è già tramontato. La linea rossa è la linea reale, mentre quella gialla è la linea illusoria.

"Ai poli invece, dove la notte dura circa 6 mesi, la rifrazione modifica la visibilità del Sole addirittura di 4 giorni, che significa che per 4 GIORNI si è rischiarati da un Sole che non c'è...."




3) "Colore, Visione e Creatività" 
il link ad un contributo di mia moglie sulla visione dei colori, breve e di piacevole lettura, dove si trova anche un link per effettuare un test sulla intelligenza cromatica.
Il Laboratorio di Tirtha: Colore, Visione e Creatività




Spero vi sia piaciuto, arrivederci al prossimo capitolo delle Onde ElettroMagnetiche.



Riassunto catena post:
Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 1/7: ma cos'è? 
Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 2/7: la LUCE VISIBILE è un'onda EM
Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 3/7: RADIO e MICROONDE sono onde EM 
Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 4/7-A: i raggi IR-INFRAROSSI sono onde EM 
Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 4/7-B: gli IR - gas serra, bilancio termico e astronomia infrarossa  
Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 5/7: i raggi UV-ULTRAVIOLETTI sono onde EM 
Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 6/7: i raggi X sono onde EM
Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 7/7: i raggi GAMMA sono onde EM 

Link di riferimento e ringraziamenti per la concessione d'uso di parti dei contenuti:

Fisica Generale II, A.M.Rossi, Università di Bologna, lo Spettro Elettromagnetico
Lezione di fisica della luce, del dott. Alessio Filippetti
"Perché vediamo il Sole anche quando non c'è?" di Piero Bianucci
Di Roberto.zanasi - Opera propria, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=23828270
Astro Photo Météo 53

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