Cosa fa la luce quando si propaga in un materiale che presenta disomogeneità al suo interno e cosa si vede.

Materiale

• Torcia, lampadina

• Contenitore trasparente a base rettangolare

• Acqua, latte (poche gocce)

In un ambiente oscurato disporre su un piano un recipiente trasparente a base rettangolare contenente acqua e qualche goccia di latte. Porre la lampadina accesa o la torcia all’esterno del recipiente molto vicina alla faccia laterale di estensione minore. Osservare attentamente il recipiente (e la lampadina) attraverso l’acqua sia dal lato più lungo che da quello più corto. Ripetere le osservazioni, ponendosi di fronte al lato più lungo, mettendo il recipiente contro uno sfondo scuro. Ripetere le esperienze ponendo la lampadina all’esterno del recipiente molto vicina alla sua faccia laterale di estensione maggiore.

Osservando la  lampadina attraverso l’acqua si vede il filamento illuminato di colore rosso e si percepisce l’acqua come opalescente e di colore rossastro. La sensazione di rosso è più intensa quanto maggiore è lo spessore di acqua e latte. Osservando l’acqua attraverso la faccia adiacente a quella a cui è affacciata la lampadina, l’acqua assume una colorazione azzurrognola accentuata dalla presenza del fondo scuro.

Cosa fa la luce e cosa vede l’occhio

Nell’acqua e latte sono presenti particelle di grasso che rendono la miscela non omogenea e che agiscono da centri diffusori, modificando la direzione di propagazione dei raggi che le colpiscono. I raggi incidenti attraversando il materiale vengono deviati anche più volte in direzioni diverse

Si ha la sensazione che l’intero volume di acqua sia illuminato (la luce arriva al nostro occhio da ognuna delle particelle microscopiche illuminate) ed è difficile riconoscere la forma della sorgente di cui si distingue bene solo la parte molto luminosa.

Le diverse componenti della luce non vengono però diffuse nello stesso modo: la componente “rossa” della luce “bianca” riesce ad attraversare l’acqua senza essere troppo “deviata” dal suo cammino rettilineo, mentre quella “blu” viene rimandata in tutte le direzioni. Guardando in direzione della sorgente nell’occhio entra luce in cui domina la componente rossa, vuoi che la luce sia quella rinviata dai centri diffusori, vuoi che sia luce proveniente direttamente, non deviata, dal filamento della lampada. Guardando invece in direzione perpendicolare alla direzione di propagazione iniziale del fascio incidente, l’occhio riceve solo luce deviata dai centri diffusori e in cui domina la componente blu.

La diffusione per trasmissione è un fenomeno abitualmente presente nell’esperienza quotidiana: è il motivo per cui vediamo il cielo di colore azzurro/blu e il sole giallo quando è alto nel cielo. Quando è basso sull’orizzonte il sole si vede rosso/arancio: i raggi arrivano radenti al suolo dopo aver attraversato spessori di aria maggiori che a mezzogiorno. Si verifica una forte diffusione della componente blu/viola; riescono a passare e giungere all’osservatore solo le componenti rosso/arancio/giallo della radiazione.

Anche alla base della visione in una giornata nebbiosa c’è un fenomeno di diffusione per trasmissione, dovuto alla presenza nell’aria delle microscopiche goccioline d’acqua che costituiscono, appunto, la nebbia e che agiscono da centri diffusori. Come nel caso dell’acqua e latte la luminosità complessiva è alta, ma non si distinguono gli oggetti se non quando sono abbastanza vicini e/o  abbastanza luminosi.

Una spiegazione più approfondita del fenomeno della diffusione richiede di considerare la struttura atomica della materia e fa intervenire la meccanica quantistica, considerando la diffusione come un processo complesso di assorbimento e riemissione di luce da parte di singoli atomi e molecole e non come semplice deviazione della luce incidente da parte di microscopiche superfici materiali.