Spettro visibile

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Un prisma separa per rifrazione la luce nei colori che compongono lo spettro visibile (esperimento di Newton).

In fisica lo spettro visibile è quella parte dello spettro elettromagnetico che cade tra il rosso e il violetto includendo tutti i colori percepibili dall'occhio umano che danno vita dunque al fenomeno della luce. La lunghezza d'onda della luce visibile nell'aria va indicativamente dai 380 ai 760 nm[1]; le lunghezze d'onda corrispondenti in altri mezzi, come l'acqua, diminuiscono proporzionalmente all'indice di rifrazione. In termini di frequenze, lo spettro visibile varia tra i 400 e i 790 teraHertz.

La massima sensibilità media dell'occhio umano probabilmente si ha ai 560 nm (540 THz) dello spettro elettromagnetico, più o meno in corrispondenza del colore giallo citrino anche se la temperatura media della superficie della fotosfera solare di 5777 Kelvin dà un picco ai 400-450 nm (azzurro-ciano, gradazioni di blu) fuori dall'atmosfera terrestre (diagramma wavelength-picco emissione W.A.Steer) e mediamente ai 510-530 nm sulla Terra a causa della rifrazione atmosferica ovvero nel verde citrino.

Storia[modifica | modifica wikitesto]

I primi studi sullo spettro visibile furono condotti da Isaac Newton, nel suo trattato intitolato Opticks, e da Goethe, nel saggio La teoria dei colori (Goethe), benché osservazioni precedenti furono eseguite in questo senso da Ruggero Bacone, quattro secoli prima di Newton.

Il cerchio dei colori di Newton, che mostra i legami tra i diversi colori, le note musicali e i pianeti.

Newton per primo usò il termine spettro (dal latino spectrum, con il significato di "apparenza" o "apparizione"), in una stampa del 1671, dove descriveva i suoi esperimenti di ottica. Egli osservò che quando un raggio di luce colpiva una superficie di un prisma di vetro con un certo angolo, una parte del raggio veniva riflessa, mentre la parte restante attraversava il prisma e ne usciva scomposta in bande colorate. Newton ipotizzò che la luce fosse composta da particelle di differenti colori, e che ogni colore viaggiasse con una propria velocità, compresa tra quella del rosso (il più veloce) e quella del violetto (il più lento). Ne conseguiva che ciascun colore subiva la rifrazione in maniera diversa, cambiando traiettoria e separandosi dagli altri.

Newton divise così lo spettro in sette diversi colori: rosso, arancione, giallo, verde, blu, indaco e violetto. La scelta di sette colori non poggiava su basi scientifiche, ma filosofiche, in particolare sulla teoria sofistica della connessione tra colori, note musicali (sette), pianeti (allora erano ritenuti essere sette) e giorni della settimana (sempre sette)[2][3]. L'occhio umano d'altra parte riesce solo con difficoltà a distinguere l'indaco dal blu e dal violetto, fatto che ha spinto molti a ritenere di dover eliminarlo dal novero dei colori dello spettro.

Johann Wolfgang von Goethe contestò invece le conclusioni di Newton, attribuendo al prisma la scomposizione della luce nei differenti colori dell'iride, e proponendo una descrizione qualitativa del fenomeno: i colori non sono contenuti nel bianco, ma nascono dall'interazione della luce col buio. Goethe sperimentò infatti che non basta far passare un raggio di luce bianca attraverso un prisma per ottenere i colori, ma che questi diventano visibili solo lungo i bordi di una striscia o una macchia di colore nero, che sia stata precedentemente tracciata sulla parete dove viene proiettato il raggio.[4]

Anche il filosofo idealista Georg Wilhelm Friedrich Hegel, schierandosi dalla parte di Goethe, sottolineò come il prisma non sia uno strumento neutro, ma sia la causa dell'insorgere dei diversi offuscamenti della luce chiamati "colori", enumerati arbitrariamente da Newton come sette:

« Nella teoria dei colori il prisma era finora uno strumento essenziale ma è merito di Goethe averlo demolito. La conclusione che viene da questo fenomeno è soltanto quella che, siccome nel prisma si mostrano sette colori, questi dunque sono l'elemento originario, e la luce è costituita da essi. Questa conclusione è barbara. Il prisma è trasparente e offuscante [...] e offusca la luce secondo il modo della sua figura. [...] Ma ora si dice che il prisma non ne è la causa; ma i colori che sono contenuti nella luce, vengono poi prodotti. Sarebbe lo stesso se qualcuno volesse mostrare che l'acqua pura non è originariamente trasparente, dopo aver rimestato un secchio pieno con uno straccio immerso nell'inchiostro, e dicesse poi "vedete signori miei l'acqua non è chiara". »
(Friedrich Hegel, Filosofia della natura, lezioni del 1823-24[5])

Descrizione[modifica | modifica wikitesto]

La luce nel vuoto viaggia sempre alla medesima velocità; in presenza di altri mezzi, viaggia ad una velocità inferiore, e il rapporto tra le due velocità è detto indice di rifrazione del mezzo. Tale indice dipende dalla frequenza dell'onda luminosa e dal momento che la luce è composta da differenti frequenze elettromagnetiche, essa verrà dispersa nel passaggio dal vuoto (o dall'aria) ad un altro mezzo. L'acqua e il vetro sono ottimi materiali per sperimentare tale fenomeno: un prisma di vetro, come si è visto prima, rende visibile lo spettro ottico mentre l'arcobaleno è l'esempio ideale della rifrazione naturale della luce nell'acqua.

Le radiazioni con lunghezza d'onda minore (e quindi frequenza maggiore) sono gli ultravioletti, i raggi X e i raggi gamma; quelle con lunghezza maggiore (e frequenza minore) sono gli infrarossi, le microonde e le onde radio. Tutte queste radiazioni hanno la stessa natura, sono infatti tutte composte da fotoni. Lo spettro visibile rappresenta la parte centrale dello spettro ottico che comprende anche infrarosso e ultravioletto.

Lo spettro visibile non contiene come si può pensare tutti i colori che l'occhio e il cervello possono distinguere: il marrone, il rosa, il magenta, per esempio, sono assenti, in quanto si ottengono dalla sovrapposizione di diverse lunghezze d'onda.

Le lunghezze d'onda visibili occupano la cosiddetta "finestra ottica", una regione dello spettro elettromagnetico che può attraversare indisturbata l'atmosfera della Terra (benché come è noto il blu venga diffuso più del rosso, dando al cielo il suo colore caratteristico). Esistono anche "finestre" per l'infrarosso vicino (NIR), medio (MIR) e lontano (FIR), ma sono al di là delle capacità umane di percezione.

Alcune specie animali, come per esempio le api, possono "vedere" in differenti regioni dello spettro elettromagnetico, in questo caso l'ultravioletto, per facilitare la ricerca del nettare dei fiori, i quali cercheranno quindi di attirare gli insetti mostrandosi "invitanti" proprio a quelle lunghezze d'onda. All'altro capo dello spettro alcuni serpenti non vedono gli infrarossi perché, pur essendo animali a sangue freddo, la loro retina sarebbe comunque più calda del corpo da vedere. Dato che un rilevatore IR deve essere più freddo della radiazione da rilevare (vedi quelli del telescopio spaziale Hubble, raffreddati con elio liquido pur essendo nello spazio esterno), eventuali recettori IR in un occhio interno sarebbero accecati dal sangue e dal corpo stesso del serpente, per questo l'animale ha appunto dei ricettori termici sulla pelle ai lati del cranio, nella posizione più adatta, che gli permettono di cacciare anche al buio.

Posizione dello spettro visibile all'interno dello spettro elettromagnetico (a dx infrarossi, microonde e onde radio, a sx ultravioletti, raggi X e raggi gamma.

I colori dello spettro[modifica | modifica wikitesto]

I colori dell'arcobaleno nello spettro includono tutti quei colori che sono prodotti da un raggio di luce visibile di una precisa lunghezza d'onda (raggio monocromatico o puro).

Benché lo spettro sia continuo e non vi siano "salti" netti da un colore all'altro, si possono comunque stabilire degli intervalli approssimati per ciascun colore[6].

Colore Frequenza Lunghezza d'onda
Violetto 668-789 THz 380–450 nm
Blu 631-668 THz 450–475 nm
Ciano 606-631 THz 476-495 nm
Verde 526-606 THz 495–570 nm
Giallo 508-526 THz 570–590 nm
Arancione 484-508 THz 590–620 nm
Rosso 400-484 THz 620–750 nm

Spettro dei colori di un display[modifica | modifica wikitesto]

Spettro di un display a colori.

I moderni display a colori (presenti nei monitor dei computer o nei televisori, per esempio) utilizzano solo il rosso, il verde e il blu, che servono ad "approssimare" anche gli altri colori dello spettro. Nell'illustrazione a fianco, si possono vedere gli intervalli in cui questi tre colori vengono utilizzati.

Spettroscopia[modifica | modifica wikitesto]

Lo studio di oggetti basato sullo spettro della luce visibile che essi emettono è chiamato spettroscopia; un importante campo di ricerca della spettroscopia si ritrova nell'astronomia, dove essa è fondamentale per l'analisi delle proprietà fisiche dei corpi celesti. In generale, la spettroscopia astronomica utilizza reticoli di diffrazione con alto potere di dispersione, in modo da ottenere un'altissima risoluzione. Si possono rilevare in questo modo gli elementi chimici che compongono il corpo celeste attraverso le linee di emissione e di assorbimento; l'elio fu scoperto proprio attraverso l'analisi spettroscopica della luce solare. Misurando inoltre lo spostamento delle linee spettrali, si può ricavare il valore dello spostamento verso il rosso o dello spostamento verso il blu dell'oggetto. Il primo pianeta extrasolare fu scoperto analizzando tale spostamento, che era causato da variazioni di velocità della stella (influenzata gravitazionalmente dal pianeta) dell'ordine di pochi metri al secondo.

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ Cecie Starr, Biology: Concepts and Applications, Thomson Brooks/Cole, 2005, ISBN 0-534-46226-X.
  2. ^ Niels Hutchison, Music For Measure: On the 300th Anniversary of Newton's Opticks su Colour Music, 2004. URL consultato l'11 12/12/2013.
  3. ^ Isaac Newton, Opticks, 1704.
  4. ^ Johann Wolfgang von Goethe, Zur Farbenlehre (1810), trad. it., La teoria dei colori, a cura di Renato Troncon, Milano, Il Saggiatore, 1979.
  5. ^ Trad. it. in Hegel, Filosofia della natura. Lezioni del 1823-1824, a cura di Marcello Del Vecchio, pp. 101-102, FrancoAngeli, 2009 ISBN 9788856819304.
  6. ^ Thomas J. Bruno, Paris D. N. Svoronos. CRC Handbook of Fundamental Spectroscopic Correlation Charts. CRC Press, 2005.

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