Mappa del sito                                                                                                     Programma della lezione

(S-4) I diversi colori della luce solare

Il colore: Che cos'è?

    I colori dell'arcobaleno costituiscono lo "spettro base" da cui è formata tutta la luce che noi vediamo. Anche se i vari colori si mescolano senza discontinuità, in genere si suole suddividerli in rosso, arancione, giallo, verde, blu, indaco e violetto. Come i vari suoni contengono i toni delle note musicali della scala base (spesso combinazioni di suoni, per esempio, gli accordi), così la luce colorata è formata dai suoi "componenti spettrali".

    Isaac Newton ha mostrato che non solo un prisma triangolare separa un raggio di luce solare nei colori dell'arcobaleno (e questo era già noto), ma anche che un secondo prisma rimette insieme tutti i colori, formando di nuovo la luce bianca. Perciò la luce bianca è una combinazione di tutti i colori dell'arcobaleno, e il prisma separa i suoi colori, poiché l'angolo di cui è deviato un raggio di luce, quando entra nel vetro, è diverso da un colore all'altro.

        [Per lo stesso motivo, una lente semplice di vetro focalizza i diversi colori a distanze diverse. Ai tempi di Newton, se un astronomo regolava il fuoco di un telescopio per ottenere (diciamo) una immagine gialla, nitida di una stella, l'immagine era circondata da un alone sfocato rosso e verde. Newton pensava che il problema fosse insolubile, e inventò un nuovo tipo di telescopio, basato non su lenti ma su specchi concavi, i quali riflettono tutti i colori allo stesso modo. In seguito furono realizzate delle ottiche che focalizzano i colori tutti insieme, utilizzando una combinazione di varie lenti fatte con diversi tipi di vetro, e queste ottiche sono impiegate ai nostri giorni nelle macchine fotografiche, nei proiettori e nei piccoli telescopi. Tuttavia, tutti i grandi telescopi moderni seguono l'idea di Newton e impiegano gli specchi].

   

La percezione dei colori

  1. "Colore spettrale", cioè uno dei colori dell'arcobaleno o una loro combinazione. La quantità con cui ciascuno dei colori dell'arcobaleno contribuisce a un raggio di luce può essere determinata suddividendo il raggio per mezzo di un prisma.

  2. "Colore percepito", quello che l'occhio umano trasmette al cervello.

    Uno strumento che usa dei prismi ("spettrografo") rivela che l'occhio umano può essere tratto in inganno: combinazioni diverse di colori dell'arcobaleno possono apparire uguali all'occhio umano.

    Il nostro occhio contiene tre tipi di cellule fotosensibili, e ciascun tipo è sensibile a una differente banda di colori -- una banda è centrata nel rosso, un'altra nel verde e un'altra nel blu. Ogni colore che vediamo -- incluso il marrone, il verde oliva e altri colori assenti nell'arcobaleno -- è un'impressione che il nostro cervello registra, quando combina i segnali provenienti da queste 3 bande cromatiche. Le persone daltoniche mancano di alcuni tipi di cellule dell'occhio, e così il loro mondo manca di alcuni colori, o persino (per coloro che hanno soltanto un tipo di cellule) manca del tutto dei colori. Questa "acromatopsia" è molto più frequente negli uomini; nelle donne, invece, può esistere una rara mutazione per cui sono presenti nei loro occhi quattro diversi tipi di fotoricettori. Le altre persone possono soltanto fare delle ipotesi su come queste signore ci vedono! (Per ulteriori informazioni al r ardo, si può fare clic qui.)

    Questo è il motivo per cui i televisori e le stampanti a colori sono basate sui tre "colori primari" rosso, verde e blu. Questi dispositivi non riproducono affatto il vero colore spettrale degli oggetti mostrati, ma sono tuttavia in grado di rappresentare qualsiasi colore che il nostro occhio può vedere. Qui vi è un programma che vi permette di fare degli esperimenti con le combinazioni dei 3 colori, usando lo schermo del vostro calcolatore. Per un altro programma dello stesso genere, con cui potreste esercitarvi se dovete scrivere del materiale per il Web, esiste un collegamento in fondo a questa sezione.

Lo spettro

    Ogni colore che sarà menzionato d'ora in poi sarà un colore spettrale. In natura sono importanti due tipi di distribuzioni cromatiche:

    (1) Nella luce emessa da solidi, liquidi o grandi quantità di gas densi, come nel Sole, i colori sono distribuiti con continuità. La loro esatta distribuzione ("spettro di corpo nero") dipende dalla temperatura a cui si trova l'oggetto che emette la luce -- una mano tiepida irradia per lo più nell'infrarosso, una barra di ferro incandescente è color rosso-ciliegia, il filamento di una lampadina è di un giallo brillante, e la luce del Sole è bianca.

        [Sempre di questo genere è anche la distribuzione della radiazione nella banda delle microonde, che è un residuo del "Big Bang", quando l'universo ebbe origine, radiazione osservata dal satellite COBE della NASA ("Cosmic Background Explorer", cioè Analizzatore della Radiazione del Fondo Cosmico). Quando lo spettro osservato dal COBE fu mostrato la prima volta a un comitato di astronomi, esso causò grande emozione. Normalmente i valori osservati mostrano degli errori sperimentali, ma in quel caso i punti sperimentali erano così vicini alla curva prevista teoricamente, che la prima impressione dei presenti fu che i relatori avessero prima disegnato la curva, e poi successivamente avessero posto i punti sperimentali sopra di essa].

  Spettri di alcuni elementi
  © Donald E. Klipstein (ved. qui  per approfondire)

    (2) I colori della luce emessa da singoli atomi o molecole in un gas rarefatto non sono distribuiti con continuità, ma sono concentrati in ristrette zone dello spettro. I colori sono caratteristici del tipo di atomo o molecola che li emettono, come la nota di un diapason è caratteristica delle sue dimensioni, del suo spessore e del metallo di cui è fatto. Queste zone ristrette sono chiamate righe spettrali, poiché in molti spettrografi la luce entra attraverso una sottile fenditura, cosicché ogni emissione produce una riga nell'immagine risultante.

    Quasi tutte le sorgenti di luce sono di due tipi: la luce viene generata o dal calore -- per esempio da un filamento incandescente di una comune lampadina -- oppure da un gas luminoso, come in un tubo fluorescente. Le sorgenti di questo secondo tipo forniscono più luce per unità di energia, ma la luce è concentrata solo in alcuni colori preferenziali, per cui gli oggetti colorati, osservati sotto questo tipo di luce, possono apparire innaturali.

    Per l'illuminazione stradale, la fedeltà dei colori è meno importante, per cui in genere vengono usate sorgenti con vapori di sodio o di mercurio. Il sodio emette una luce giallo-arancione, ed uno spettrografo rivela che il colore deriva da due righe spettrali molto vicine tra loro (ved. la parte di mezzo della seconda striscia spettrale nell'immagine qui sopra). I vapori di mercurio emettono una luce bluastra (ved. la parte di mezzo della striscia più in basso dell'immagine), ma il rosso è assente.

    A causa della mancanza di rosso, un colorito roseo, osservato sotto questo tipo di luce, può sembrare pallido in modo innaturale. Anche le lampade fluorescenti contengono del mercurio (uno spettroscopio mostrerebbe le "righe" del mercurio), ma, per dare una luce più morbida e più gradevole (e per sfruttare anche la radiazione ultravioletta, che in genere va perduta), queste lampade hanno un rivestimento fluorescente ("fosforo") all'interno del vetro, che assorbe i colori più violenti del mercurio (compresi gli ultravioletti) e li riemette con una distribuzione più omogenea dei colori (nell'immagine sopra, ved. lo spettro "Mercurio con fos."). Le lampade al neon funzionano in modo simile, con piccole quantità di altri gas per produrre i colori desiderati.

La natura ondulatoria della luce

    I prismi e le fenditure possono essere usati per filtrare la luce, lasciando passare soltanto la luce "monocromatica" di un singolo, ben definito, colore spettrale. Esperimenti effettuati con questo tipo di luce hanno mostrato che la luce si propaga come un'onda. La sua lunghezza d'onda, cioè la distanza tra una cresta e la successiva, è piuttosto piccola, tipicamente dell'ordine di 0,5 micrometri, o micron (milionesimi di metro).

        [Affronteremo più avanti la domanda "la cresta di che cosa?". I fisici del passato non conoscevano la risposta -- essi constatavano soltanto che, quando due creste si sovrapponevano, la luce diventava più intensa, mentre, quando una cresta coincideva con una "valle" (l'opposto di una cresta), le onde si cancellavano tra loro, dando luogo a una zona di buio].

    La lunghezza d'onda determina le dimensioni della zona in cui un'onda può essere confinata. Poiché le onde luminose sono molto corte, possiamo anche visualizzare un'onda luminosa come un raggio ben definito. Tuttavia, i contorni cominciano ad essere confusi quando osserviamo un oggetto molto piccolo attraverso un potente microscopio, con un ingrandimento di molte migliaia di volte, poiché le onde luminose non possono definire dettagli più piccoli della loro lunghezza d'onda. Questo è il motivo per cui sono utili i microscopi elettronici, i quali usano fasci di elettroni invece della luce.

    Molti strumenti permettono oggi ai fisici di misurare la lunghezza d'onda della luce. Lo strumento più comunemente usato dagli studenti è il reticolo di diffrazione, una lastrina con una serie di sottili incisioni parallele, a distanza costante una dall'altra. Sono oggi disponibili economici reticoli di plastica, stampati da una matrice metallica e montati su un telaietto di cartone, come le diapositive. Le onde di luce incidenti risuonano con le spaziature tra le incisioni, e sono leggermente deflesse di un angolo che dipende dalla lunghezza d'onda, per cui, conoscendo l'angolo e la spaziatura, è possibile calcolare la lunghezza d'onda. Così i reticoli possono scindere un fascio di luce nei suoi colori, come fa un prisma, e sono spesso usati negli spettroscopi.

Gli spettri

    Scienziati del XIX secolo, in particolare Robert Bunsen (1811-99) e Gustav Kirchoff (1824-87), hanno osservato e catalogato gli spettri di molte sostanze. Tutto questo lavoro ha fornito un utilissimo strumento per analizzare la composizione dei metalli e di altre sostanze, metodo che è ampiamente usato tutt'oggi.

    Anche il Sole emette delle righe spettrali. Quelle notate per prime furono delle righe scure (chiamate righe di Fraunhofer, dal nome del loro scopritore), che suggerirono l'esistenza di un aumento del fenomeno di assorbimento della luce, anziché di emissione. Atomi più freddi assorbono le stesse lunghezze d'onda che emetterebbero se fossero caldi -- per esempio, la luce di una lampadina a filamento, vista attraverso un tubo con vapori di mercurio troppo freddo per emettere luce, mostrerà delle righe scure in corrispondenza alle stesse lunghezze d'onda che sarebbero emesse dai vapori caldi di mercurio. Nel caso della luce solare, si è scoperto che l'assorbimento non era dovuto all'atmosfera terrestre (come si sarebbe potuto supporre), ma al Sole stesso.

        Inoltre, comunque, anche la luce solare contiene molte righe brillanti di emissione, caratteristiche dell'idrogeno, del calcio e di altri elementi. Una riga gialla, scoperta nel 1868, fu dapprima identificata con la riga gialla del sodio, ma poi si vide che non aveva la giusta frequenza e non si accordava con lo spettro di nessun'altra sostanza nota. L'astronomo inglese Norman Lockyer infine propose che si trattasse di una nuova sostanza, ignota sulla Terra, ed aveva ragione: l'elemento "elio" (da "helios", il nome greco del Sole) fu identificato in un materiale terrestre da William Ramsay nel 1895 e in seguito fu da lui isolato.

Per saperne di più

       Sul sito http://umbra.nascom.nasa.gov/images/ vi è una utile raccolta di informazioni a proposito del Sole, incluse le più recenti immagini solari ottenute da vari osservatori. Le immagini sono prese attraverso filtri che isolano sottili intervalli di colori emessi da varie sostanze (cioè le "righe spettrali"), e mostrano molti dettagli delle zone attive del Sole.


Domande poste dagli utenti:   Quanti elementi diversi contribuiscono alla luce solare?
                        Inoltre:   Che cosa ci dice la luce del Sole sulla sua temperatura?