(S-4) I diversi colori della luce solare

    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].

    (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].

    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.

    [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.

    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.