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Una delle prime cose che ho appreso durante i grattagratta è che uno specchio lucidato bene, anche se non è alluminato, permette di fare comunque delle osservazioni.
Infatti ( qualcuno mi ha detto, ma non ricordo chi
) un vetro lucido riflette il 5% della luce incidente.
Ovviamente ( questo lo dico io ) il restante 95% attraverserà il vetro
Dopo qualche anno di “pensieri profondi” su questo fatto che sembra assolutamente normale e riscontrabile nell’esperienza quotidiana mi sono ritrovato a chiedermi:
Come fa un fotone a decidere se deve rimbalzare o attraversare il vetro ? voglio dire, si mettono d’accordo tra loro ? tipo:” passo prima io, tu rimbalza pure…” oppure qualcuno tiene il conto di quelli che attraversano e poi “chiude la frontiera” e i restanti rimbalzano ?
qualcuno per favore mi “illumini” !
Ciao Massimo, credo di avertelo detto io che un vetro mediamente riflette all’incirca il 5% della luce incidente ed è normale che una piccola quantità venga riflessa. Immagino sia capitato a tutti che nonostante ci si trovi davanti ad una finestra si riesca a vedere il proprio riflesso su di essa.
Quando la luce colpisce una superficie questa viene in parte assorbita, in parte trasmessa e in parte riflessa e questo dipende da come rimbalza la luce all’interno del materiale stesso.
Qui viene spiegato abbastanza bene:Ok, a livello macroscopico ed elettromagnetico siamo d’accordo… questo però non mi da una risposta alla mia domanda:
immagina di poter proiettare un singolo fotone perpendicolarmente su di una superficie vetrosa. Cosa fa il fotone ? rimbalza , attraversa o tutte e due ?
Non sono assolutamente un esperto, non sono uno studioso, non sono laureato ma mi piacciono fisica chimica e geologia oltre all’astronomia, e quindi tiro fuori quel che mi sono di tanto in tanto trovato a leggere dei bellissimi scritti di Richard Feinmann, spesso per me non poco indigesti in quanto non approfondibili con la mia scarsa preparazione da perito in elettronica industriale.
Un fotone che colpisca una superficie, mi sembrerebbe che nell’urto possa avere la probabilità di attraversarla e andare a trovare la propria fine altrove, o trovare la propria fine subito nell’essere riflesso come rimbalza una particella, oppure riflesso come un onda elettromagnetica, magari più facilmente diffratta da una asperità, oppure assorbito come particella da qualche elettrone di qualche atomo della materia, andando ad aumentarne provvisoriamente l’energia dello spin, per poi restituirla con i tempi propri dell’atomo bersaglio, come fa il laser.
Ma si dice che, benchè si possa misurare un aspetto ondulatorio oppure corpuscolare, non si ha la possibilità di misurarne l’altro aspetto duale eventualmente contemporaneo….Senza magari far morire il gatto a Schrödinger.
Bene, bene ! ci stiamo avvicinando
Vi confesso che questa storia del fotone non l’ho inventata io , l’ho messa li solo per cercare di stimolare la curiosità su alcuni aspetti del grattavetro quotidiano che sembrano così normali che non ci facciamo più neanche caso, ma che in realtà nascondono nella loro essenza i più grandi misteri del nostro universo.
In effetti, il primo che sperimentò questi effetti quantistici della luce fu proprio Richard Feynman , a lui si deve la nascita della QED ( elettrodinamica quantistica ) la quale è la teoria più completa ed esauriente delle interazioni tra luce e materia.Quindi, sempre con lo scopo di stimolare la curiosità, rinnovo la domanda “imbarazzante” alla luce della considerazione probabilistica di Giulio e della percentuale di riflessione-rifrazione di Mirco: ammettendo che esista una probabilità del 5% che i fotoni vengano riflessi e del 95% che attraversano il vetro, come fanno 100 fotoni a decidere da quale parte devono andare ? poniamola anche in altro modo, forse più corretto: perchè su 100 fotoni solo 5 vengono riflessi e 96 attraversano ?
E’ stato proprio Feinmann a spiegare quello che a Newton non era riuscito fi fare.
Feinmann è stato un fisico formidabile, specie nell’insegnamento della sua materia. Comprato un suo libro , non si può non comprarne un’altro!.
Già Newton si era accorto che lastre di vetro riflettono il 4% della luce incidente, e si era domandato se fosse una caratteristica della parte frontale del vetro a creare quella riflessione, e per quale motivo.
Nello sperimentare vetri di diverso spessore Newton scoprì che quel 4% variava per giungere inaspettatamente fino al 16%. Ma poi altrettanto inaspettatamente tornava a scendere fino al 4%. Ma non riuscì a darne ragione del motivo.
Come del resto, da grande precursore quale fu, già gli successe per la mancata spiegazione del funzionamento della forza di gravità, e del come facesse ad agire a distanza infinita senza un “etere” che la trasmettesse.Poi arrivò Nonno Albert, e “distese” la sua ipotetica rete formata dalla nuova dimensione spazio-tempo (immagine didatticamente valida per farsi capire), a spiegare che la massa dei corpi vi affonda in proporzione, curvandone la superficie con continuità, e quindi per questo gli oggetti vengono attratti anche a distanza infinita.
Ebbene Feinmann in 50 pagine avvincenti e alla portata di chiunque, (e senza una formula) spiega che la riflessione della faccia antistante di un vetro, è condizionata dalla rifrazione della faccia posteriore, che, con la periodocità data dalla lunghezza d’onda della luce, si somma all’effetto anteriore facendo salire al 16% la sua riflessione; oppure la elide in gran misura tornando al 4%.
Feimnann per la sua curiositè è stato , ballerino, scassinatore (mentre lavorava al progetto Manhattan a Los Alamos), suonatore di bongo, insegnante strepitoso, tecnico che scoprì quale fu il difetto che fece esplodere lo shuttle in decollo, ed altro ancora, è assolutamente da leggere perchè i suoi libri sono editi anche in italiano.
Per i più avvezzi all’inglese, su youtube ci sono alcune sue lezioni filmate sempere molto interessanti.Ora siamo davvero vicini
Anche io sono rimasto affascinato da questo grande personaggio. Entrando nel mondo della elettrodinamica quantistica e delle sperimentazioni del grande scienziato, divulgatore e premio Nobel per la fisica Feynman si entra in un mondo sorprendente, semplice ma nello stesso tempo incomprensibile, un mondo dove l’assurdo è alla base della comprensione della realtà quotidiana nell’interazione tra luce e materia.Per dare una risposta alla nostra domanda, riporto un piccolo estratto da un articolo di bellissimo Blog “l’infinito teatro del cosmo” del professore di astrofisica Vincenzo Zappalà. Invito tutti a dedicare un po’ di tempo nella lettura di questi articoli su Feynman e la QED, ne vale veramente la pena, dove viene spiegato in modo semplice e completo, senza fare ricorso alla matematica complessa della meccanica quantistica, le “assurdità” del nostro fotone che rimbalza sul vetro
La scelta del fotone
…Non ci rimane che entrare nel mondo dell’assurdo e dire che è impossibile conoscere cosa decide di fare il singolo fotone. Può “scegliere” di andare dritto o rimbalzare, ma è una decisione tutta sua che non potremmo mai conoscere. Tuttavia, qualcosa può essere conosciuto, ossia la percentuale di fotoni che tornano indietro rispetto a quelli che avanzano. Non possiamo prevedere quale fotone fa una scelta o l’altra, però possiamo dire che il 4% torna indietro e il 96% va avanti. Vi rendete conto di quello che abbiamo detto? La fisica, quella scienza che descrive e spiega in modo esatto, è costretta a calcolare soltanto la probabilità di un evento. In altre parole, ancora più pesanti, la Natura ci permette solo di calcolare una probabilità. Assurdo, veramente assurdo!
Tuttavia, questo risultato è ancora niente rispetto a quello che ci attende, complicando un poco l’esperimento…
Un interessante fenomeno collaterale derivato dal comportamento di quei fotoni incidenti, è che, nell’esempio dello specchio, si ottiene il rinforzo o l’attenuazione della radiazione riflessa dal 4% al 16% , in funzione del rapporto fra lunghezza d’onda della radiazione, e spessore della lastra di vetro.
Intuitivamente l’amplificazione avviene quando l’onda riflessa è esattamente in fase con quella incidente, così da rafforzarla. E quindi perchè si verifichi ciò, lo spessore della lastra dovrebbe essere pari a una quantità multipla intera della lunghezza d’onda della radiazione che interessa potenziare.
Va da sè che il resto delle altre lunghezze d’onda facenti parte dello stesso fascio luminoso, sono destinate a subire una attenuazione tanto maggiore quanto maggiore sarà la interferenza della riflessione distruttiva data dallo sfasamento.
Su questo principio (che è pure quello dell’interferometro di Fabry Perot inventato ai primi del ‘900), avevo scoperto funzionare i filtri interferenziali che usiamo anche noi astrofili per rendere evidenti le radiazioni emesse dalle nebulose. Filtri interferenziali ottenuti depositando sulle due facce del vetro calibrato di supporto, uno, ma generalmente più strati metallici semitrasparenti.
“Più strati” forse perchè anche i depositi di diversi tipi di metallo “fanno spessore”, e nel contempo sono essi stessi più o meno riflettenti determinate lunghezze d’onda. Da qui il fatto che uno spesso filtro possa avere più di una banda di radiazione passante.
Il risultato è che un fotone che entri nella camera formata dallo spessore del supporto fra i due specchi semitrasparenti, calibrato al valore multiplo della lunghezza d’onda da trasmettere potenziata, viene riflesso a zig zag più volte, amplificandosi ad ogni rimbalzo, per uscire infine molto accresciuto. Mentre viceversa le altre lunghezze d’onda vengono invece via via attenuate.
La distanza fra le pareti semi riflettenti per esempio, negli “etalon” dei telescopi solari (brutto francesismo che vuol dire “stallone” nel senso di “campione preciso”) per trasmettere la sola radiazione dell’idrogeno alfa emessa dal Sole, può essere “sintonizzabile” con una specie di messa a fuoco per massimizzare la loro efficienza.
Tutto ciò non ha pretese didattiche ed è mia opinione personale. E’ cioè quanto mi pareva di aver capito quando la mia infiammabile curiosità ebbe a incendiarsi anche su questo argomento.
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