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08.04 OCCHIO AL CALORE

Lo spettro elettromagnetico è costituito da tutte le onde elettromagnetiche presenti in natura. Oltre alla radiazione luminosa visibile ad occhio, diversi fenomeni ondulatori rientrano nella categoria: sempre generati da campi elettrici e magnetici vibranti, si propagano con la stessa velocità, a parità di mezzo attraversato, e differiscono tra loro solo per lunghezza d'onda o frequenza. Per la differenza di energia trasportata, le onde elettromagnetiche interagiscono diversamente con la materia che attraversano e possono anche essere dannose per la salute. Partendo da quelle più energetiche abbiamo in ordine le seguenti radiazioni: gamma, X, ultravioletto, visibile, infrarosso, microonde, radio.

Il nostro occhio ha una sensibilità molto limitata e riesce a percepire solo una piccola parte dello spettro elettromagnetico, chiamata appunto banda del visibile. Il nostro sistema percettivo identifica tali onde elettromagnetiche come colori che vanno dal rosso, con lunghezza d'onda maggiore ed energia minore, al violetto, con lunghezza d'onda minore ed energia maggiore.

Come dice il nome, proprio sotto il rosso abbiamo la zona infrarossa. Con una lunghezza d'onda compresa tra 700 nm e 1 mm, la luce infrarossa è associata alla radiazione termica che noi percepiamo come calore: ogni oggetto con temperatura superiore allo zero assoluto (in pratica qualsiasi oggetto reale) emette spontaneamente radiazione in questa banda. Anche oggetti che sappiamo essere molto freddi, come i cubetti di ghiaccio, emettono radiazioni infrarosse. Naturalmente, più la temperatura di un oggetto è elevata, maggiori sono le radiazioni infrarosse che emette. Esistono in natura alcuni animali (predatori) con organi sensibili in infrarosso per poter vedere le proprie prede anche di notte attraverso il calore che emettono. Se ti capita di osservare una foto di un anaconda, ad esempio, ti accorgerai che sulla punta del muso sono presenti due piccoli fori. Sembrano due narici, ma i serpenti non possiedono il senso dell'olfatto e dunque non hanno naso. In realtà sono un secondo paio di occhi sensibili all'infrarosso!

La termocamera presente al museo è una speciale videocamera sensibile a questa banda elettromagnetica e converte l'immagine ad infrarossi del tuo corpo in un'immagine visibile. Un profilo in falsi colori consente di leggere i valori della temperatura degli oggetti ripresi; puoi così osservare quali parti del tuo corpo sono più calde e quali più fredde.  Una termocamera è uno strumento molto utile, ad esempio, in campo edile perché permette di rilevare componenti o aree soggette a punti caldi o freddi ed è quindi in grado di migliorare l'efficienza costruttiva, gestire l'energia ed aumentare la sicurezza sul lavoro.

08.03 EFFETTO FOSFORO

I fenomeni fondamentali che stanno alla base di questo exhibit sono l’assorbimento della luce e le proprietà delle sostanze fosforescenti.

L'assorbimento della luce provoca un aumento dell'energia interna degli atomi o delle molecole di cui è composto il materiale che assorbe. In condizioni normali gli elettroni si trovano nello stato di minima energia, detto stato fondamentale. Quando una radiazione li colpisce, li eccita e li fa “saltare” dallo stato fondamentale ad uno superiore. La nuova situazione energetica è, però, instabile per cui gli elettroni tendono a voler tornare nello stato fondamentale. A questo punto ci sono solo due possibilità di ritorno: un’emissione fluorescente oppure un'emissione fosforescente.

Il decadimento che produce fosforescenza è temporalmente più lungo (un millisecondo contro da 1 miliardesimo a 1 millesimo di miliardesimo di secondo) di quello che determina la fluorescenza. Per questo motivo la fosforescenza segue con un certo ritardo l'eccitazione e si protrae anche qualche minuto oltre: l'esperienza quotidiana ci dice infatti che il materiale fosforescente “brilla al buio”. Il materiale fluorescente, al contrario, ha bisogno di una fonte luminosa che lo carica in continuazione per essere luminoso.

Entrambi i fenomeni possono essere innescati da luce dello spettro visibile, ma funzionano meglio con la luce ultravioletta che ha una frequenza superiore. Il Sole è la principale fonte ultravioletta perciò, “caricando” le sostanze fluo e fosforescenti con la luce della nostra stella, hai risultati migliori.

Spesso detersivi e dentifrici dalla supposta azione sbiancante non fanno altro che stendere una patina di sostanza fluorescente sui capi o sui denti; grazie alla luce ultravioletta del Sole tali sostanze risultano, così, particolarmente brillanti. In realtà lo sporco non è stato rimosso, ma coperto!!! Allo stesso modo gli evidenziatori che si usano sui libri funzionano con la luce diurna, ma non con quella artificiale che non ha componenti ultraviolette.

Come dicono i nomi, la fosforescenza prende il nome dal fosforo e la fluorescenza dal fluoro.

08.02 PERCORSI DI LUCE

L'ottica geometrica è quella branca della fisica che si occupa della riflessione e della rifrazione, due fenomeni che descrivono il comportamento della luce attraverso mezzi trasparenti diversi dall'aria.

Nella riflessione i raggi luminosi rimbalzano e tornano indietro con lo stesso angolo, come nel caso degli specchi, e risultano anche complanari.

Nella rifrazione i raggi luminosi deviano quando cambiano mezzo di propagazione perché la luce varia la sua velocità in funzione della densità del mezzo: più il mezzo è denso e più la luce è deviata. La misura della deviazione della luce è indicata da un numero chiamato indice di rifrazione, caratteristico di ogni sostanza.

Nel vuoto la luce viaggia a 300.000 km/sec; entrando in un mezzo rallenta e “sceglie” il percorso in modo da attraversarlo nel minor tempo possibile. La cannuccia che sembra spezzarsi in un bicchiere d'acqua ne è un esempio: benché percorra un tragitto più lungo della linea retta, tale percorso sarà quello più veloce per la luce. Questo principio è noto come “principio di Fermat”. Per analogia puoi paragonare la luce a un bagnino che per salvare un turista in difficoltà in mare sceglie il percorso più veloce. Immagina che il turista si trovi in mare lateralmente rispetto alla posizione del bagnino sulla spiaggia; per soccorrerlo, il bagnino segue una traiettoria non rettilinea, ma spezzata, in cui compie più strada sulla sabbia (dove è più veloce) e meno nell'acqua (dove è ovviamente più lento).

La rifrazione ha un angolo limite oltre il quale la luce che normalmente viene rifratta, passando da un mezzo più denso a uno meno denso, viene riflessa dalla superficie di separazione. E' il fenomeno per cui davanti a un acquario, se ci incliniamo oltre a un certo limite, vedremo il suo fondale. Sulla riflessione totale si basa il principio di funzionamento delle fibre ottiche: la luce che viaggia all'interno del tubicino trasparente della fibra rimane intrappolata al suo interno per una serie di riflessioni totali e può viaggiare da un capo all'altro della fibra senza perdere di intensità e di informazione.

08.01 COLORA LA TUA OMBRA

Esistono due modi diversi di mescolare i colori: la sintesi addittiva e la sintesi sottrattiva. La prima è caratteristica delle fonti che emettono luce, la seconda dalle sostanze che assorbono la luce e che ne riflettono soltanto una parte, come i pigmenti degli inchiostri. Ciascuna sintesi possiede tre colori primari da cui si possono creare gli altri.

Accendendo uno per volta i faretti colorati, scopri che i colori primari della sintesi addittiva sono rosso, verde, blu; in inglese red, green, blu, le cui iniziali formano la ben nota sigla RGB che ritroviamo nelle descrizioni dei monitor di qualunque dispositivo multimediale (computer, tablet, smartphone, …). Sommando a due a due i colori primari della sintesi addittiva, ottieni sullo schermo i tre colori primari della sintesi sottrattiva, magenta, ciano e giallo, la terna che conosciamo meglio e che ritroviamo, ad esempio nelle cartucce per le stampanti. Accendendo tutti e tre i fari colorati osservi che lo schermo viene illuminato da luce bianca, somma dei tre colori rosso, verde e blu.

Il nostro corpo non è trasparente alla luce, per cui se ti interponi tra lo schermo e le luci le blocchi e produci un’ombra sullo schermo. In ottica si dice che il tuo corpo è opaco alla luce. Finché accendi solo un faretto, osservi che si forma la classica ombra nera dietro di te. Quando accendi più di un faretto, ci sono punti in cui blocchi solo una luce; le altre luci continuano a illuminare lo schermo e producono ombre colorate. In particolare, dove le ombre si sovrappongono due a due, ottieni i tre colori primari della sintesi addittiva: rosso, verde, blu (i colori delle luci dei fari). Dove le ombre si sovrappongono tutte e tre ottieni il nero, che è l'assenza di luce.

L'occhio umano è sensibile soltanto alle onde elettromagnetiche con lunghezze d'onda comprese tra 400 e 700 nm (detto spettro visibile), che costituisce una porzione assai piccola dell’intero spettro elettromagnetico. Le differenti lunghezze d'onda vengono interpretate dal cervello come colori, che vanno dal rosso delle lunghezze d'onda più ampie (minore frequenza), al violetto delle lunghezze d'onda più brevi (maggiore frequenza). L'occhio percepisce i colori grazie ai fotorecettori chiamati coni; esistono soltanto tre tipi di coni: quelli sensibili al rosso, al verde e al blu (RGB, appunto). A partire da questi riusciamo a percepire 16 milioni di colori diversi!

I colori sono dunque sensazioni soggettive prodotte sia da una luce con una particolare lunghezza d'onda sia da combinazioni di luci con diverse lunghezze d'onda.  Per esempio, la sensazione di giallo può essere prodotta sia da una luce con la lunghezza d'onda che corrisponde alla componente monocromatica che definiamo "giallo" sia da altre combinazioni di lunghezze d'onda, cioè dalla combinazione di diverse componenti monocromatiche come rosso e verde. Il colore che chiamiamo "bianco" è la combinazione di tutte le lunghezze d'onda, e quindi di tutte le componenti monocromatiche che il nostro occhio percepisce.

Le sostanze o gli oggetti del mondo reale non sono però colorati di per sé stessi. I corpi che ci circondano hanno la facoltà di emettere, riflettere o trasmettere onde elettromagnetiche di diversa  lunghezza d'onda  e  di  diversa intensità, tali da stimolare il nostro sistema sensoriale e provocare la visione dei colori.