Perché si forma l’ombra? Perché l’ombra è nera?

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Saji il mio cane

Dal web

La domanda potrebbe sembrare ovvia, addirittura banale.
Ma poi quando vai a cercare la risposta ecco cosa trovi.

  • L’ombra è la proiezione a terra di un corpo solido da parte dei raggi solari che ne riproduce più o meno la sua forma.
  • L’ombra è formata dall’ostruzione della luce. La luce non piega il suo percorso di propagazione se la dimensione dell’oggetto che ostruisce non è paragonabile alla lunghezza d’onda della luce.
  • L’ombra, si forma perché il sole non trapassa un corpo solido.
  • L’ombra si forma se un oggetto blocca la luce che gli viene direttamente incontro, facendo passare tutt’attorno a sè la luce; una parte di questa viene riflessa, mentre un’altra parte viene assorbita dall’oggetto.
  • L’ombra è l’area scura proiettata su una superficie da un corpo che, interponendosi tra la superficie stessa e una sorgente luminosa, impedisce il passaggio della luce. (Whikipedia)
  • Un’ombra si forma quando la luce viene bloccata da un oggetto opaco o traslucido.
  • Le ombre non hanno a che fare con i colori.

Ok, se una di queste risposte o tutte vi soddisfano, la questione finisce qui.

Tuttavia, non c’era bisogno di scomodare il web. A queste conclusioni, di tanti esperti, ci sarebbe arrivata facilmente anche la mia cara amica casalinga di Verona.
La ragione fisica/chimica non viene spiegata. Se volete sapere cosa c’è dietro a queste risposte o saperne di più per esempio sul colore nero dell’ombra, se l’aria, le nuvole, il vetro, il mare, fanno ombra, allora proseguite.

Classificazione dei corpi

La fisica ci insegna che i corpi si possono anche dividere in opachi, trasparenti e traslucidi.

I corpi opachi sono quelli che non si lasciano attraversare dalla luce, come un libro, il legno, i metalli, le rocce ecc. Ovviamente l’opacità come anche la trasparenza non dipendono solo dal materiale, ma anche dallo spessore. Tali corpi trattengono non del tutto la luce che li colpisce: se così non fosse per noi sarebbe impossibile vederli. Infatti, parte della luce che li colpisce rimbalza su di essi e viene diffusa intorno: quando arriva ai nostri occhi la possiamo vedere.

I corpi trasparenti sono quelli che si lasciano attraversare dalla luce. Il materiale trasparente per eccellenza è l’aria , altri materiali sono il vetro e alcune plastiche.

I corpi traslucidi sono quelli che presentano un comportamento intermedio tra gli opachi e i trasparenti. Essi fanno passare solo una parte della luce. Un esempio può essere le nuvole, la carta pergamena ecc.

I corpi opachi portano alla formazione dell’ombra, ma anche alcuni corpi semitrasparenti come le nuvole.
La domanda quindi è domandarsi il motivo. Perché.

Luce e colore

La luce è un’onda, più precisamente è una onda elettromagnetica che si diffonde mediante raggi riducibili a delle rette. La fonte di luce più importante è il sole, dove avvengono le reazioni nucleari. Il calore si diffonde radialmente e l’energia si propaga radialmente. La luce è una porzione dello spettro elettromagnetico visibile dall’occhio umano, compresa tra 400 e 700 nanometri di lunghezza d’onda, ossia tra 790 e 434 THz di frequenza.

Le onde elettromagnetiche si propagano tutte alla velocità della luce (c) c = 3*10-8 m/s
la relazione che lega la velocità della luce alla frequenza e lunghezza d’onda è la seguente: c = f * λ . la lunghezza d’onda λ è misurate in metri, la frequenza f in hertz.

Le differenti lunghezze d’onda vengono interpretate dal cervello come colori, che vanno dal rosso delle lunghezze d’onda maggiori (frequenze più basse) al violetto delle lunghezze d’onda minori (frequenze più alte). Comunemente abbiamo a che fare con luce non colorata, “bianca”, come quella solare. Questo perché la luce visibile ordinaria è una sovrapposizione di onde di vario colore che danno come risultato sul nostro occhio appunto il bianco.

Sebbene nell’elettromagnetismo classico la luce sia descritta come un’onda, l’avvento della meccanica quantistica agli inizi del XX secolo ha permesso di capire che questa possiede anche proprietà tipiche delle particelle.

Nella fisica moderna la luce (e tutta la radiazione elettromagnetica) viene composta da quanti, unità fondamentali di campo elettromagnetico, chiamate anche fotoni con massa e carica nulla.

Essendo la massa del fotone praticamente nulla, quindi infinitamente più piccolo delle dimensioni del reticolo molecolare di qualsiasi materiale, questo porterebbe a pensare che la luce dovrebbe passare oltre i corpi e non formare ombra. D’altra parte un’altra particella emessa dal Sole: i neutrini anch’essi di massa nulla ci attraversano come se gli oggetti non esistessero al loro passaggio non producendo quindi alcuna ombra.

Il motivo fondamentale sta nella natura ondulatoria della luce.

Qualsiasi elemento o composto esistente o da inventare in qualsiasi stato esso si trova, solido, liquido o gassoso, può solo attenuare più o meno bene le onde elettromagnetiche

  • A pari spessore della sostanza, i valori d’attenuazione variano enormemente a seconda dell’intervallo di frequenza dello spettro EM.
  • L’attenuazione provocata dai materiali, quando sono attraversati da radiazioni d’OEM. è data da due fenomeni: la diffusione e l’assorbimento molecolare.

Entrambi sono provocati dall’interazione della radiazione con le molecole che costituiscono il materiale.

COLORE
Quando la luce colpisce un oggetto essa può essere assorbita, può attraversarlo o può essere riflessa. Le intensità della luce assorbita e di quella riflessa dipendono dalla lunghezza d’onda della luce incidente. In particolare, un qualsiasi oggetto che viene colpito dalla luce ordinaria ed assorbe tutte le radiazioni dello spettro luminoso visibile senza restituirne alcuna ai nostri occhi, appare nero; se riflette tutte le radiazioni dello spettro luminoso, il colore risultante dalla combinazione di tutte le radiazioni riflesse è il bianco; se l’oggetto assorbe solo un certo numero di radiazioni luminose tranne alcune, esso appare del colore generato dalla combinazione delle diverse radiazioni riflesse; se ad essere riflessa è una sola radiazione, l’oggetto appare del colore descritto dalla lunghezza d’onda della singola radiazione riflessa.

Interazioni

Quando la luce incontra un materiale, può interagire con esso in modi differenti. Queste interazioni dipendono dalla natura della luce (la sua lunghezza d’onda, frequenza, energia, ecc.) e la natura del materiale. Le onde luminose interagiscono con un oggetto attraverso molti fenomeni; i più comuni sono assorbimento, riflessione, rifrazione, diffusione.

ASSORBIMENTO
l’assorbimento è la capacità di un materiale di assorbire l’energia associata alla radiazione elettromagnetica che si propaga all’interno di esso. L’energia del campo elettromagnetico si trasforma in questo modo in energia interna del materiale, come ad esempio la sua energia termica. L’assorbimento dipende sia dalla natura del materiale, sia dalla frequenza della radiazione.
Esistono diverse grandezze utilizzate per quantificare l’assorbimento della radiazione, fra queste il coefficiente di assorbimento che definisce il limite al quale assorbe energia.

RIFLESSIONE

La riflessione è il fenomeno per cui un’onda, che si propaga lungo l’interfaccia tra differenti mezzi, cambia di direzione a causa di un impatto con un materiale riflettente. La luce ritorna nello stesso mezzo

RIFRAZIONE

Rifrazione significa lo spostamento in direzione delle onde radio, quando entra nel mezzo con densità diverse. La luce passa attraverso la superficie, che cambia la loro velocità e direzione.

DIFFUSIONE

La diffusione della luce, nota anche con il nome di scattering, è un fenomeno che consiste nella riemissione in molte direzioni (solitamente non casuali) di un fascio di luce che colpisce un insieme di particelle disperse e di grandezza variabile presenti in un sistema che può essere allo stato solido, liquido o gassoso. La diffusione è la causa della colorazione azzurra del cielo.

Cosa dice la fisica

Qualsiasi elemento o composto esistente in qualsiasi stato esso si trova, solido, liquido o gassoso, può solo attenuare più o meno bene le onde elettromagnetiche, OEM. Se attenuano poco o quasi nulla affermiamo che il corpo è trasparente verso quei valori di radiazioni. Se tutti i corpi fossero trasparenti come il vetro le ombre non si formerebbero.
A pari spessore della sostanza, i valori d’attenuazione variano enormemente a seconda dell’intervallo di frequenza dello spettro EM. Solo l’energia dell’OEM che attraversano il vuoto non subiranno mai nessun tipo d’attenuazione. Trasparenza totale a tutte le frequenze.

ASSORBIMENTO MOLECOLARE
Il fenomeno dell’assorbimento molecolare di una radiazione è principalmente dovuto alle transizioni che le molecole compiono tra i livelli energetici quantizzati permessi.

Indicato con E0 lo stato fondamentale d’energia della molecola (ovvero il livello energetico della molecola a riposo) e con E1 uno stato eccitato permesso, se sulla molecola incide un’onda elettromagnetica di frequenza f sarà data da: f=(E1-E0)/h, dove (h) è la costante di Planck, esiste una possibilità finita che la molecola si ecciti e passi al livello energetico E1
L’energia necessaria alla molecola per compiere il salto di livello è pari a E1 – E0 e viene sottratta all’OEM incidente.

Se lo stato E1 è stabile la molecola resta in quello stato; diversamente, la molecola ritorna nello stato E0 e l’energia assorbita viene riemessa sotto forma di fotoni o fononi. Perché avvenga un salto energetico, l’elettrone o fonone deve assorbire esattamente l’energia necessaria al salto, né un po’ di più né un po’ di meno.

VETRO
2022-06-07_10h21_14Il vetro è considerato un liquido sotto raffreddato. Non possiedono un reticolo cristallino ordinato, ma una struttura disordinata e rigida.
La trasparenza è dovuta all’assenza di stati di transizione elettronici nell’intervallo energetico della luce visibile e al fatto che il vetro non ha disomogeneità di grandezza confrontabile o superiore alla lunghezza d’onda della luce.
Nel suo insieme di molecole il vetro ha una banda d’energia a livelli bassi piene d’elettroni al livello superiore nel guscio più in alto, in pratica al salto successivo, ha una banda vuota, senza elettroni. Il fotone non trova ostacoli ed attraversa il vetro.
Il vetro comune non è invece trasparente alle lunghezze d’onda minori di 400 nm (nano metro), ovvero il campo ultravioletto.
A seconda della composizione chimica delle sostanze cristalline si ha una moltitudine di diversi stati quantici con livelli energetici differenti poiché ogni atomo o molecola di sostanze aggiunte modifica i livelli energetici della molecola o atomo isolato. E’ per questo che con l’aggiunta di altre molecole rendono il vetro diventa non trasparente.

NUVOLE
2022-06-07_10h13_25Dapprima semplicemente vapore acqueo (trasparente), poi con la diminuzione della temperatura diventa goccioline sempre più pesanti fino a cristalli di ghiaccio che riflettono, assorbono fino a lasciare passare i raggi luminosi. Quando la loro concentrazione raggiunge qualche migliaia di unità per litro d’aria, la luce visibile non riesce più a passare indisturbata, e si può formare l’ombra. 

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LA LUCE NEL MARE
Quando la luce incontra la Superficie del mare una certa quantità è riflessa in funzione dell’angolo di incidenza.
La luce che penetra all’interno dell’acqua modifica la sua intensità luminosa e la sua composizione spettrale (lunghezza d’onda) per effetto di diversi tipi di assorbimento.
Questo include tutti i colori dal violetto al rosso compresi tra 400 e 700 nm (nm = manometri = 10-6 m).
Oltre il rosso e oltre il violetto vi sono due frequenze a noi non visibili ma molto importanti: l’infrarosso che produce il riscaldamento e l’ultravioletto che ha importante azione antibatterica. L’ultravioletto e l’infrarosso si fermano nei primi centimetri di profondità, successivamente si estinguono il rosso, l’arancione, il giallo, il verde e il violetto mentre il blu e raggiunge le maggiori profondità. Questo è il motivo per cui il mare aperto ha un colore blu intenso.

CORPI SOLIDI E TRASPARENZA
L’effetto di trasparenza dipende da come la luce viene riflessa dalla superficie è propagata all’interno del solido che si sta guardando. In pratica un materiale appare trasparente quando la trasmissione dell’onda elettromagnetica che va da 400 a 700 nanometri (cioè la luce visibile) non viene ostacolata, o meglio la percentuale di luce riflessa è inferiore a quella che riesce ad attraversare il materiale.

Se la distanza minima tra gli atomi è in ogni punto inferiore a quella della lunghezza d’onda della luce visibile, l’onda elettromagnetica viene trasmessa in modo uniforme e il materiale risulta trasparente. Se invece la luce incontra ostacoli disposti casualmente, l’oggetto sembra opaco.

Conclusioni

Quello che vedete è Saturno nella profonda oscurità dello spazio che proietta la sua ombra sui suoi anelli.

Cosa ci dice questa immagine?

  • Un corpo per essere visibile ha bisogno di esser investito dalla luce.
  • Un corpo per essere visibile deve assorbire e riflettere parte del suo spettro luminoso, ovvero riflettere alcune frequenze che poi sono quelle che danno il colore al corpo.
  • L’ombra deve ‘stamparsi’ su una superficie. Nella foto una porzione dell’ombra non cade sugli anelli e cade nel vuoto dello spazio. L’ombra della Terra per esempio è visibile solo se viene proiettata sulla faccia della Luna (eclissi lunare)
  • Tutto attorno c’è il buio, nero, che più nero non si può, perché lo spazio è trasparente alla luce. E’ buio.
  • L’ombra di Saturno è quindi quella sua porzione, di colore nero, facente parte dello spazio che non è investito dai raggi solari.
  • La forma dell’ombra dipende alla incidenza dei raggi solari.

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