Introduzione alla chimica

Obiettivo di apprendimento

Discutere come nasce il moto ondoso e le sue proprietà misurabili, notando le conlcusioni dell’esperimento della doppia fenditura di Young

Punti chiave

Il moto ondulatorio nasce quando un disturbo periodico di qualche tipo si propaga attraverso un mezzo elastico. Le variazioni di pressione attraverso l’aria, i movimenti trasversali lungo una corda di chitarra o le variazioni di intensità dei campi elettrici e magnetici locali nello spazio, noti come radiazioni elettromagnetiche, sono tutti esempi di onde.
Ci sono tre proprietà misurabili del moto ondoso: ampiezza, lunghezza d’onda e frequenza.
Un esperimento definitivo fu l’esperimento della doppia fenditura di Young, che dimostrò che la luce proiettata su due fenditure in uno schermo mostra un modello di interferenza caratteristico di onde di luce, piuttosto che particelle.
La fase associata a un’onda è anche importante per descrivere certi fenomeni.
La velocità di un’onda è il prodotto della lunghezza d’onda e della frequenza.

Termini

ampiezzaIl valore massimo della variabile raggiunto in entrambe le direzioni.
ondaUna forma che varia alternativamente tra un massimo in due direzioni opposte.
frequenzaIl numero di vibrazioni al secondo.
lunghezza d’ondaLa distanza percorsa dall’onda in un periodo completo (1/frequenza).

In questa sezione, ci concentreremo sulle proprietà simili alle onde della luce. Mentre in seguito imparerete la dualità onda/particella (come la luce si comporta contemporaneamente come onda e come particella), qui discuteremo la natura ondulatoria della luce e gli effetti sperimentali di questo comportamento.

Introduzione al moto ondulatorio

Il moto ondulatorio si verifica quando un disturbo periodico di qualche tipo si propaga attraverso un mezzo. Le variazioni di pressione attraverso l’aria, i movimenti trasversali lungo una corda di chitarra, o le variazioni di intensità dei campi elettrici e magnetici locali nello spazio, che costituiscono la radiazione elettromagnetica, sono tutti esempi tipici di moto ondoso. Per ogni mezzo, c’è una velocità caratteristica alla quale la perturbazione viaggia.

Onda sinusoidaleQuesta immagine mostra l’anatomia di una curva sinusoidale: la cresta è il picco di ogni onda, e il trogolo è la valle; l’ampiezza è la distanza tra la cresta e l’asse x; e la lunghezza d’onda è la distanza tra due creste (o due trogoli).

Ci sono tre proprietà misurabili del moto ondoso: ampiezza, lunghezza d’onda e frequenza (il numero di vibrazioni al secondo). La relazione tra la lunghezza d’onda λ (greco lambda) e la frequenza di un’onda ν (greco nu) è determinata dalla velocità di propagazione v, tale che

v=\nu \lambda

Per la luce, questa equazione diventa

\nu = \frac{c}{\lambda}

dove c è la velocità della luce, 2,998 x 108 m/s.

Quando si utilizzano queste equazioni per determinare la lunghezza d’onda, la frequenza o la velocità manipolando l’equazione, è importante notare che le lunghezze d’onda sono espresse in unità di lunghezza, come metri, centimetri, nanometri, ecc; e la frequenza è tipicamente espressa come megahertz o hertz (s-1).

Esempio

Qual è la lunghezza d’onda della nota musicale A = 440 hz quando si propaga nell’aria in cui la velocità del suono è 343 m s-1?

λ = v (343 m s-1)/ v(440 s-1) = 0.780 m

Esperimento della doppia fenditura di Young

All’inizio del XIX secolo, lo scienziato inglese Thomas Young realizzò il famoso esperimento della doppia fenditura (noto anche come esperimento di Young), che dimostrò che un fascio di luce, quando viene diviso in due fasci e poi ricombinato, mostra effetti di interferenza che possono essere spiegati solo assumendo che la luce sia una perturbazione ondulatoria. Se la luce consistesse strettamente di particelle ordinarie o classiche, e queste particelle fossero sparate in linea retta attraverso una fenditura e lasciate colpire uno schermo dall’altra parte, ci aspetteremmo di vedere un modello corrispondente alla dimensione e alla forma della fenditura. Tuttavia, quando questo esperimento a fenditura singola viene effettivamente eseguito, il modello sullo schermo è un modello di diffrazione in cui la luce è diffusa. Più piccola è la fenditura, maggiore è l’angolo di diffusione.

Similmente, se la luce consistesse strettamente in particelle classiche e illuminassimo due fenditure parallele, il modello atteso sullo schermo sarebbe semplicemente la somma dei due modelli a singola fenditura. In realtà, però, il modello cambia in uno con una serie di bande chiare e scure alternate. Quando Thomas Young dimostrò per la prima volta questo fenomeno, indicò che la luce consiste di onde, poiché la distribuzione della luminosità può essere spiegata dall’interferenza alternativamente additiva e sottrattiva dei fronti d’onda. L’esperimento di Young, eseguito all’inizio del 1800, giocò un ruolo fondamentale nell’accettazione della teoria ondulatoria della luce, sostituendo la teoria corpuscolare della luce proposta da Isaac Newton, che era stato il modello accettato della propagazione della luce nei secoli XVII e XVIII. Quasi un secolo dopo, nel 1905, la ricerca di Albert Einstein, vincitrice del premio Nobel, sull’effetto fotoelettrico dimostrò che la luce può comportarsi come se fosse composta da particelle discrete in determinate condizioni. Queste scoperte apparentemente contraddittorie hanno reso necessario andare oltre la fisica classica e prendere in considerazione la natura quantistica della luce.