L’Anno Internazionale della Luce. Luce, energia, fotochimica e fotofisica (parte I)

Nota: si ricorda che le opinioni espresse in questo blog non sono da ascrivere alla SCI o alla redazione ma al solo autore del testo.

Questo articolo è comparso in inglese su  EPA Newsletter, December  2014, 11-23.

a cura di Vincenzo Balzani (Dip. di Chimica “Giacomo Ciamician” Università di Bologna)

 

 e Dio disse, “Sia la luce” e la luce fu.

E Dio vide che la luce era cosa buona”

(Genesi, 1, 3-4)

Cos’é la luce?

IYL_Logo_ColorVertQuasi tutte le persone danno per scontato il fatto che ci sia la luce. Non si chiedono mai: “cos’é la luce?” Se lo fanno, capiscono subito che non è possibile definire questa onnipresente entità in modo semplice e conciso. Lo stesso accade nel caso di altre entità fondamentali, come il tempo. Sant’Agostino diceva: “Cos’è il tempo? Se nessuno me lo chiede, lo so; ma se lo devo spiegare a chi me lo chiede, non lo so più”.

La luce è una “cosa” veramente straordinaria. La spiegazione più comune, la luce è energia, non ci permette di capirne meglio l’essenza perché anche l’energia è un’entità misteriosa. In una famosa conferenza, il premio Nobel Richard Feynman disse: “E’ importante rendersi conto che oggi, in fisica, non sappiamo cosa sia l’energia” [1]. L’equivalenza fra energia, E, e massa, m, stabilita dalla famosa equazione di Einstein E = mc2, aggiunge un’ulteriore aura di mistero alla natura della luce.

Il culto reso alla luce dai popoli primitivi mostra quale fondamentale significato le sia stato attribuito fin dall’inizio della storia dell’uomo. La Bibbia racconta che la luce fu la prima cosa creata da Dio: “…e Dio disse, “Sia la luce” e la luce fu. E Dio vide che la luce era cosa buona” (Genesi, 1, 3-4). Nell’Antico Testamento la luce è considerata un attributo di Dio. Nel Nuovo Testamento “luce” è presente 72 volte, di cui 33 negli scritti dell’apostolo Giovanni. In Matteo 17,5 la nube luminosa è il segno della presenza di Dio. Nel vangelo di Giovanni, Gesù Cristo è “la vera luce che illumina ogni uomo” (Gv 1, 9) e Gesù stesso dice “Io sono la luce del mondo” (Gv 8, 12). Nella prima lettera, Giovanni afferma che “Dio è luce; in Lui non ci sono tenebre” (1 Gv 1, 5).

Le attuali teorie della fisica sono basate sull’accadimento di una misteriosa, gigantesca esplosione (Big Bang) che diede origine a luce, spazio, tempo e materia. Queste quattro fondamentali entità dell’Universo e la quinta, la più importante, la vita, sono interconnesse e non possono essere ridotte a, o definite per mezzo di qualcosa di più semplice. Da molti secoli, però, l’uomo ha fatto ipotesi e ricerche per capire la natura della luce, questo straordinario fenomeno che illumina il mondo e che permette la vita sulla Terra..

Breve storia delle teorie sulla luce

Col passare del tempo, le nostre idee sulla luce sono cambiate profondamente. Le prime teorie sulla natura della luce furono proposte dagli antichi filosofi greci. La luce era considerata un “raggio” che si muove in linea retta da un punto ad un altro. Secondo Pitagora, il fenomeno della visione è dovuto a raggi di luce che escono dagli occhi di una persona e colpiscono un oggetto. Epicuro, invece, la pensava in modo opposto: sono gli oggetti che emettono raggi di luce, che poi viaggiano fino all’occhio. Altri filosofi greci, ad esempio Euclide, illustrarono con diagrammi il “rimbalzo” della luce quando incontra una superficie liscia e il cambiamento di direzione quando passa da un mezzo trasparente ad un altro.

L’ottica geometrica, con l’uso di specchi, lenti e prismi, fu sviluppata molto più tardi da studiosi arabi. Fra questi, Ibn al-Haytham, che visse nell’odierna Iraq fra il 965 e il 1039, è considerato il padre dell’ottica e dell’oftalmologia. Descrisse la visione come un processo dovuto a raggi di luce che rimbalzano da un oggetto all’occhio e identificò i componenti dell’occhio coinvolti nel processo.

Nel 1690, il matematico, astronomo e fisico olandese Christiaan Huygens  (1629-1695) pubblicò il Traité de la Lumière, che è considerato il documento fondativo della teoria ondulatoria della luce. In questa teoria, Huygens assunse l’esistenza di un mezzo invisibile (luminiferous aether, poi chiamato semplicemente etere) che riempie tutto lo spazio “vuoto” fra gli oggetti. La luce si forma quando un corpo luminoso causa una serie di onde o vibrazioni nell’etere. Queste onde poi avanzano finché non incontrano un oggetto. Se questo oggetto è l’occhio, le onde stimolano la visione.

Nel 1704, invece, Isaac Newton giunse alla conclusione che la natura geometrica della riflessione e della rifrazione della luce possono essere spiegate solo se la luce è costituita da corpuscoli.

Se la luce era un fascio di “corpuscoli”, le domande a cui bisognava rispondere erano: che tipo di corpuscoli? di quale materia? di quali dimensioni? di che forma? E se la luce era “onda”, bisognava capire che tipo di onda fosse. Un’onda del mare non è una “cosa”, è una proprietà dell’acqua, un fenomeno generato dall’acqua. Se non c’è acqua, non c’è onda. Quindi, se la luce era un onda, che “cosa” ondeggiava? Queste erano le domande alle quali i fisici cercavano di rispondere. E prima che arrivassero risposte adeguate, si capì che in realtà la luce doveva essere descritta sia come corpuscolo che come onda. Ma come poteva esserlo? Era il primo di molti paradossi che cominciarono a mettere in dubbio il nostro modo di capire come funziona l’Universo , basato sul senso comune.

La teoria corpuscolare di Newton rimase in auge per più di 100 anni. Quando si sperimentò che non riusciva a spiegare in modo soddisfacente fenomeni come l’interferenza e la polarizzazione della luce, la teoria corpuscolare fu abbandonata e si tornò alla teoria ondulatoria di Huygens. Nel 1847 Michael Faraday suggerì che la luce fosse una vibrazione elettromagnetica di alta frequenza capace di propagarsi anche in assenza di un mezzo come l’ipotizzato etere. Il suo lavoro ispirò James C. Maxwell che scoprì che le onde elettromagnetiche che si propagano nello spazio viaggiano a velocità costante e uguale a quella, già in precedenza misurata, della luce. Dedusse quindi che la luce è una forma di radiazione elettromagnetica (1862) e fornì poi (A Treatise on Electricity and Magnetism, 1873) le descrizioni matematiche, tutt’ora note come equazioni di Maxwell, del comportamento dei campi elettrici e magnetici

Nel 1900 Max Planck, nel tentativo di spiegare la radiazione del corpo nero, suggerì che la luce, pur avendo un carattere ondulatorio, potesse acquistare o perdere energia solo in quantità definite, collegate alla frequenza dell’onda. Planck chiamò queste quantità “pacchetti” o “quanti” di energia luminosa. Nel 1905, Albert Einstein fece uso dell’idea dei quanti di luce, poi chiamati “fotoni”, per spiegare l’effetto fotoelettrico.

Il concetto di fotone permise alla fotochimica di uscire dal suo stadio di scienza empirica. Quando fu chiaro che l’assorbimento di luce corrisponde alla cattura di un fotone da parte di una molecola, Johannes Stark e Albert Einstein fra il 1908 e il 1913 formularono indipendentemente la legge detta della foto equivalenza*, oggi descritta nel primo capitolo di ogni libro di fotochimica.

Concetti fondamentali

Numerosissimi esperimenti eseguiti negli ultimi cento anni hanno dimostrato, al di là di ogni ragionevole dubbio, che la luce ha realmente una duplice natura. In molti casi conviene considerarla in una forma corpuscolare, cioè costituita da pacchetti discreti di energia (fotoni). La proprietà fondamentale di un fotone è la sua energia, E. In altri casi, è necessario considerare la luce come un fenomeno elettromagnetico ondulatorio, caratterizzato dalla sua lunghezza d’onda, λ, frequenza ν, e velocità c. Queste tre quantità sono collegate dall’equazione

λν= c

Il valore di c è costante (2.998 x 108 m s-1 nel vuoto), mentre λ (e ν) possono coprire un ampio intervallo di valori (spettro elettromagnetico).

Le due nature, corpuscolare e ondulatoria, della luce sono collegate da una semplice relazione fra energia di un fotone e frequenza corrispondente di quel fotone:

E = hν

dove h è la costante di Planck (6.63 x 10-34 Js). Le due equazioni sopra riportate permettono di convertire le lunghezze d’onda (o le frequenze) dei fotoni nelle loro energie e viceversa.

Le proprietà ondulatorie della luce (λ e ν) possono essere misurate, cosa che fa della luce un segnale molto utile. Allo stesso tempo, la luce è energia. Quindi la luce può essere definita come un modo (molto veloce!) di trasferire segnali (informazioni) ed energia attraverso lo spazio. Le proprietà informatiche e energetiche della luce sono usate in modo esteso sia in Natura che nella scienza. La Natura ha fatto uso della luce per creare le prime forme di vita sul nostro pianeta, per guidare l’evoluzione e per far sì che le specie viventi possano riconoscersi e possano monitorare l’ambiente. L’uomo dal canto suo ha utilizzato le proprietà della luce per una grande varietà di scopi e di applicazioni.

Luce e materia

Il Big Bang ha generato un’enorme quantità di energia che, con l’espandersi e il raffreddarsi dell’Universo, ha dato origine alla materia. La conversione di energia in materia è rimasto un fenomeno misterioso fino all’inizio del secolo sorso, quando Einstein, con la sua famosa equazione E = mc2, mostrò che energia e materia sono forme differenti della stessa cosa. In fisica, l’ equivalenza massa-energia comporta che la massa di un oggetto o di un sistema è una misura del suo contenuto energetico. Per esempio, aggiungendo 25 kWh (90 MJ) di qualsiasi forma di energia a qualsiasi oggetto, la massa dell’oggetto aumenta di 1 μg (un milionesimo di grammo). Durante l’espansione dell’Universo enormi quantità di energia sono state convertite in materia. L’opposto accade nelle esplosioni nucleari. Nell’ambito della US Strategic Defense Initiative (1983), si studiò la possibilità di usare laser a raggi-X alimentati da esplosioni nucleari per applicazioni militari.

Ogni volta che un atomo o una molecola emettono un fotone, una quantità molto piccola (non misurabile!) di massa viene convertita in una quantità misurabile di energia. L’opposto accade quando un fotone viene assorbito.

La luce oggi

La luce gioca un ruolo fondamentale nella nostra vita di ogni giorno e oggi è alla base di tutte le discipline scientifiche. L’uso della luce ha rivoluzionato la medicina, ha facilitato enormemente le comunicazioni per mezzo di Internet e continua ad essere il collante che tiene assieme gli aspetti culturali, economici e politici della società globale. L’importanza della luce va anche ben al di là della vita sulla Terra: grazie a scoperte scientifiche e progressi tecnologici, la luce ci aiuta a vedere e a capire meglio l’immenso Universo di cui facciamo parte.

La luce ci fornisce protezione e sicurezza, rende possibile molte attività dell’uomo fra le quali la trasmissione della conoscenza e l’istruzione, aumenta la qualità della vita. Nei paesi sviluppati consideriamo la luce come cosa dovuta e ci rendiamo conto del suo valore solo quando viene a mancare. Per più di 1,5 miliardi di persone del mondo, però, notte significa ancora buio o la debole fiamma di una candela; una situazione che ha drammatiche conseguenze sulla qualità della vita.

Mentre l’elettrificazione ha creato e re-inventato un gran numero di industrie, le lampade a incandescenza sono state per lungo tempo immuni a questi cambiamenti. Si è dovuta attendere l’invenzione di LED capaci di emettere luce bianca per scalzare la lampada ad incandescenza, icona della elettrificazione. La straordinarietà di questi cambiamento è stata riconosciuta col conferimento del premio Nobel 2014 agli scienziati Isamu Akasaki, Hiroshi Amano, e Shuji Nakamura per i loro studi sui LED [2] (Figura 1a).

 luce1

Figura 1. Applicazioni della fotonica: (a) Light Emiting Diode (LED, un dispositivo che converte l’elettricità in luce con alto rendimento; (b) fibre ottiche: una tecnologia che usa fili di vetro o di plastica per la trasmissione di informazioni; (c) dispositivo molecolare basato sull’assorbimento ed emissione di luce per elaborare informazioni.

Con il termine fotonica si intende quella parte della scienza e della tecnologia che studia e utilizza la luce. Oggi la fotonica è dappertutto: nell’elettronica di consumo (scanner di codici a barre, apparecchi per DVD, controllo TV remoto), nelle telecomunicazioni (Internet), in medicina (chirurgia oculare, strumenti di uso medico), nell’industria manifatturiera (laser per tagliare e forgiare i materiali), negli apparati di difesa e sicurezza (camere fotografiche sensibili a luce infrarossa, monitoraggio a distanza), nell’intrattenimento (olografia, luci laser), ecc. Le fibre ottiche (Figura 1b) permettono l’uso della luce per trasmettere grandi quantità di informazioni e di esplorare zone altrimenti irraggiungibili all’interno del nostro corpo. Per il 21mo secolo la fotonica sarà ancor più importante di quanto non lo sia stato l’elettronica per il 20mo secolo. La fotonica molecolare (Figura 1c), una branca emergente della fotochimica e della fotofisica [3] rimpiazzerà l’elettronica molecolare in molte applicazioni. (continua)

 

Riferimenti

[1] J. Gleick, Genius: The Life and Science of Richard Feynman, Pantheon Books, New York, 1992.

[2] P. Von Dollen, S. Pimputkar, and J. S. Speck, “Let there be light – with gallium nitride: the 2014 Nobel Prize in Physics”, Angew. Chem. Int. Ed., 53, 2-5, 2014. doi: 10.1002/anie.201410693.

[3] V. Balzani, A. Credi, M. Venturi: “Processing Energy and Signals by Molecular and Supramolecular Species”, Chem. Eur. J., 14, 26-39, 2008.

La seconda ed ultima parte di questo articolo uscirà venerdì prossimo.

* si veda http://it.wikipedia.org/wiki/Legge_di_Stark-Einstein

2 thoughts on “L’Anno Internazionale della Luce. Luce, energia, fotochimica e fotofisica (parte I)

  1. La notazione di Vincenzo Balzani sul rapporto fra luce e materia mi stimola a ricordare una cosa che può essere interessante; 90MJ sono la quantità di calore rilasciato dalla combustione di circa 2 kg o poco più di petrolio; per ottenere tale combustione occorrono all’incirca 6.5 kg di ossigeno; quindi in totale abbiamo a che fare con circa 8.5kg di reagenti totali; come ci racconta il prof. Balzani alla fine della reazione la massa totale dei reagenti sarebbe diminuita di circa un microgrammo, quindi un microgrammo su 8.5kg iniziali, una parte su 8.5 miliardi ; le migliori bilance analitiche commerciali sono capaci di pesare 50 grammi con una sensibilità di un microgrammo, quindi 1 parte su 50 milioni; e quindi giustamente siamo molto al di sotto della bisogna; in effetti la tecnologia standard delle microbilance è stata usata fino ad una sensibilità di circa 1 parte su un miliardo ma per masse totali molto piccole; un altro metodo sperimentale capace di questo tipo di sensibilità è quello della microbilancia al quarzo (QCM), in cui la massa è stimata da una variazione di frequenza di oscillazione e che in assoluto sarebbe in grado di stimare anche il peso di una macromolecola; nelle comuni QCM tuttavia non si supera la sensibilità relativa (massa/portata) di una buona microbilancia; però in una QCM teoricamente il rapporto relativo fra la massa stimata e la portata potrebbe arrivare a circa una parte su 10 miliardi, perchè dipende dalla precisione di lettura della frequenza; se fosse in futuro possibile di disporre comunemente di un dispositivo del genere capace di una sensibilità di una parte su 10 miliardi potremmo rivelare la variazione di massa in una reazione fortemente esotermica in modo diretto; e quindi violare in laboratorio la legge di Lavoisier; certo la sensibilità della calorimetria è molto più spinta e difficilmente si potrebbero sostituire le misure calorimetriche nei casi dove il calore prodotto dalla reazione è inferiore. Per molti anni ancora la rivelazione diretta della variazione di massa connessa con una reazione chimica sarà al di là della nostra portata e la legge di Lavoisier, rimarrà una delle leggi della Chimica.

  2. Pingback: L’Anno Internazionale della Luce. Luce, energia, fotochimica e fotofisica (parte II) | il blog della SCI

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