Leggi della Riflessione, Rifrazione e Natura Quantistica della Luce

Leggi della Riflessione e della Rifrazione

Quando un'onda luminosa incide sulla superficie di separazione tra due mezzi con indici di rifrazione diversi, una parte dell'onda viene riflessa e una parte viene rifratta (trasmessa nel secondo mezzo). Le leggi della riflessione e della rifrazione stabiliscono che:

• Il raggio incidente, il raggio riflesso e il raggio rifratto giacciono sullo stesso piano, chiamato piano di incidenza, che è perpendicolare alla superficie di separazione.
• L'angolo di incidenza (θi) e l'angolo di riflessione (θr) sono uguali: θi = θr.
• L'angolo di incidenza (θi) e l'angolo di rifrazione (θt) sono legati dalla Legge di Snell: n₁ sen(θi) = n₂ sen(θt), dove n₁ e n₂ sono gli indici di rifrazione rispettivamente del primo e del secondo mezzo.

La Legge di Snell implica che se la luce passa da un mezzo a un altro con indice di rifrazione maggiore (n₂ > n₁), il raggio rifratto si avvicina alla normale (la perpendicolare alla superficie nel punto di incidenza). Se passa a un mezzo con indice di rifrazione minore (n₂ < n₁), il raggio rifratto si allontana dalla normale.

La Legge di Snell può anche essere espressa in termini di velocità della luce (v) nei due mezzi, ricordando che l'indice di rifrazione è definito come n = c/v, dove c è la velocità della luce nel vuoto.

Concetto di Fotone e Dualismo Onda-Particella

Per spiegare alcuni fenomeni di interazione tra luce e materia, come l'effetto fotoelettrico, Albert Einstein riprese la teoria corpuscolare della luce. Egli postulò che l'energia della radiazione elettromagnetica non fosse continua, ma quantizzata, ovvero composta da pacchetti discreti chiamati quanti o fotoni.

Un'onda elettromagnetica di frequenza ν può essere vista come un flusso di fotoni che viaggiano alla velocità della luce, ciascuno con un'energia E = hν (dove h è la costante di Planck) e una quantità di moto p = h/λ (dove λ è la lunghezza d'onda).

La teoria di Einstein non invalidò la teoria ondulatoria della luce. La fisica moderna introdusse così il concetto di dualismo onda-particella, accettando che la luce possiede simultaneamente proprietà ondulatorie e corpuscolari.

• Quando la luce interagisce con la materia (es. effetto fotoelettrico), si comporta come un flusso di particelle (fotoni) dotate di energia e quantità di moto.
• Quando si propaga o manifesta fenomeni come la diffrazione o l'interferenza, si comporta come un'onda, caratterizzata da una lunghezza d'onda (λ) e una frequenza (ν).

Successivamente, Louis de Broglie propose, per simmetria, che anche la materia manifestasse il dualismo onda-particella: a ogni particella in movimento è associata un'onda. La lunghezza d'onda di de Broglie associata a oggetti macroscopici è estremamente piccola, rendendo le proprietà ondulatorie della materia osservabili solo su scala atomica e subatomica.