Che fine fanno i fotoni quando spegniamo la luce?

Quando spengo una lampadina, i fotoni già emessi non scompaiono immediatamente. Continuano a propagarsi nella stanza alla velocità della luce finché non vengono assorbiti da un oggetto, attraversano un materiale trasparente oppure escono dall'ambiente.

In altre parole, spegnendo la lampadina interrompo la produzione di nuova luce, ma non posso fermare i fotoni che sono già stati emessi.

Questi ultimi continuano il loro percorso.

Cosa accade quando spengo la lampadina

Quando premo l'interruttore interrompo l'alimentazione elettrica della lampada.

La sorgente smette quindi di emettere nuova luce secondo tempi che dipendono dal tipo di lampada.

Ad esempio, il filamento caldo di una lampadina a incandescenza continua a emettere radiazione per un breve periodo mentre si raffredda.

La luce già emessa, invece, continua a propagarsi.

Nel vuoto la velocità della luce è

\[ c=299\,792\,458 \text{ m/s} \]

ossia circa

\[ c \simeq 3\cdot10^8 \text{ m/s} \]

Nell'aria la velocità è leggermente inferiore. Tuttavia, nelle normali distanze di una stanza posso utilizzare come approssimazione la velocità della luce nel vuoto.

Un esempio pratico

Considero un fotone che deve percorrere una distanza di 4 metri dalla lampadina a una parete.

Il tempo necessario è

\[ t=\frac{s}{c} \]

dove \(s\) è la distanza percorsa e \(c\) è la velocità della luce.

Sostituisco i valori.

\[ t=\frac{4}{299\,792\,458} \]

Ottengo circa

\[ t=1,33\cdot10^{-8}\text{ s} \]

ossia circa 13,3 nanosecondi.

Pertanto, un fotone impiega soltanto pochi miliardesimi di secondo per attraversare alcuni metri di una stanza.

Nota. Questo non significa che dopo 13,3 nanosecondi tutti i fotoni della lampada siano scomparsi. È soltanto il tempo necessario alla luce per percorrere 4 metri. Alcuni fotoni possono essere riflessi e continuare a propagarsi più a lungo.

Perché la stanza diventa buia

Una stanza contiene pareti, mobili, pavimenti e altri oggetti.

Quando un fotone incontra una superficie possono verificarsi principalmente tre fenomeni:

• riflessione;
• trasmissione;
• assorbimento.

Nel primo caso la luce cambia direzione e continua a propagarsi.

Nel secondo caso attraversa il materiale.

Nel terzo caso viene assorbita.

Le superfici reali non sono riflettori perfetti. Anche una parete bianca riflette soltanto una parte della radiazione che riceve.

Quindi, dopo ogni riflessione, una parte della luce viene persa per assorbimento o può uscire dall'ambiente.

Un esempio

Suppongo per semplicità che una superficie rifletta ogni volta l'80% della luce incidente.

Dopo una riflessione resta

\[ 0,8=80\% \]

della luce iniziale.

Dopo due riflessioni

\[ 0,8^2=0,64 \]

ossia il 64%.

Dopo dieci riflessioni resta

\[ 0,8^{10}\simeq0,107 \]

circa l'11% della quantità iniziale.

Dopo cinquanta riflessioni

\[ 0,8^{50}\simeq0,000014 \]

ossia circa lo 0,0014%.

Pertanto, anche se i fotoni possono essere riflessi diverse volte, la quantità di luce presente nella stanza diminuisce molto rapidamente.

Poiché la luce percorre alcuni metri in pochi nanosecondi, le varie riflessioni avvengono in intervalli di tempo molto brevi.

Per questa ragione ai nostri occhi la stanza sembra diventare buia quasi immediatamente.

Cosa accade quando un fotone viene assorbito

Quando un fotone viene assorbito da un materiale, trasferisce la propria energia alla materia.

L'energia di un fotone dipende dalla sua frequenza.

\[ E=h\nu \]

dove \(h\) è la costante di Planck e \(\nu\) è la frequenza della radiazione.

Nel caso della luce visibile l'assorbimento può coinvolgere gli stati elettronici del materiale.

L'energia ricevuta può successivamente essere redistribuita in diversi modi.

Ad esempio, può essere trasferita ai moti e alle vibrazioni delle particelle che compongono il corpo.

In molti materiali una parte dell'energia assorbita contribuisce quindi ad aumentare l'energia interna.

In termini comuni si dice che la luce assorbita contribuisce a riscaldare l'oggetto.

Un esempio pratico

Considero la luce della lampada che colpisce un comodino.

Una parte della luce viene riflessa. È anche grazie a questa radiazione riflessa che posso vedere il comodino.

Un'altra parte viene assorbita dal materiale.

In questo caso l'energia dei fotoni assorbiti viene trasferita alla materia.

L'effetto prodotto da un singolo fotone è trascurabile su un oggetto macroscopico.

Tuttavia, un grande numero di fotoni trasporta complessivamente una quantità di energia maggiore.

Che fine fa il fotone?

Il fotone non deve essere immaginato come una piccola pallina materiale che contiene energia.

Non ha quindi senso cercare ciò che resta del fotone dopo l'assorbimento come se fosse il residuo di un proiettile.

Nella descrizione quantistica il fotone è un quanto del campo elettromagnetico.

Quando viene assorbito, il fotone cessa di esistere e la sua energia e la sua quantità di moto vengono trasferite al sistema con cui ha interagito.

Non rimane un involucro privo di energia.

Nota. Il numero dei fotoni non è una grandezza che deve conservarsi durante un'interazione. I fotoni possono essere emessi e assorbiti. Devono invece essere rispettate le leggi di conservazione dell'energia e della quantità di moto.

Questo non significa che un fotone abbia necessariamente una durata limitata.

Se non incontra materia e non interagisce con altri sistemi, può continuare a propagarsi nel vuoto.

La stanza buia contiene ancora fotoni?

Sì.

Spegnere la lampadina elimina progressivamente la luce visibile prodotta dalla sorgente, ma una stanza buia non è necessariamente priva di radiazione elettromagnetica.

Gli oggetti presenti nella stanza continuano a emettere radiazione termica.

Lo fanno le pareti, il pavimento, i mobili e anche il corpo umano.

Alle normali temperature ambientali questa radiazione è concentrata soprattutto nell'infrarosso.

Per un corpo nero a circa 20 °C, il massimo dello spettro espresso per unità di lunghezza d'onda si trova approssimativamente intorno a

\[ \lambda\simeq10\,\mu m \]

Questa lunghezza d'onda è molto più grande di quelle della luce visibile.

Pertanto, non possiamo vedere direttamente questa radiazione con gli occhi.

Perché non vediamo la radiazione termica?

L'occhio umano è sensibile soltanto a una parte dello spettro elettromagnetico.

La radiazione infrarossa emessa dagli oggetti a temperatura ambiente si trova al di fuori di questo intervallo.

Questo non significa che la radiazione non esista.

Semplicemente, il nostro sistema visivo non è adatto a rilevarla come luce.

Per osservarne gli effetti posso utilizzare una termocamera.

Una termocamera rileva determinate bande della radiazione infrarossa e converte le misure in un'immagine visibile.

Un esempio pratico

Entro in una stanza e accendo la luce.

Posso vedere un tavolo perché una parte della luce della lampada viene riflessa dal tavolo e raggiunge i miei occhi.

Poi spengo la lampada.

La luce visibile già presente continua a propagarsi per un brevissimo periodo, viene progressivamente assorbita dalle superfici oppure esce dalla stanza.

Il tavolo diventa quindi invisibile ai miei occhi.

Tuttavia, non ha smesso di emettere radiazione.

Continua a emettere radiazione termica prevalentemente nell'infrarosso.

Una termocamera può quindi continuare a rilevarlo anche quando per i nostri occhi la stanza è buia.

Anche il corpo umano emette fotoni

Anche il corpo umano emette continuamente radiazione termica.

La temperatura interna del corpo è circa 37 °C, mentre la temperatura della pelle è generalmente inferiore e varia a seconda delle condizioni.

Per questa ragione una persona può apparire chiaramente in un'immagine termica quando la sua temperatura superficiale è diversa da quella dell'ambiente circostante.

Non siamo però necessariamente gli oggetti che emettono più radiazione nella stanza.

Un termosifone caldo, ad esempio, può avere una temperatura superficiale maggiore e quindi una diversa emissione termica.

I fotoni infrarossi possono uscire dalla stanza?

Dipende dagli ostacoli che incontrano.

Una finestra di vetro comune è trasparente alla luce visibile, ma non è altrettanto trasparente alle lunghezze d'onda dell'infrarosso termico intorno a 10 micrometri.

Pertanto, i fotoni infrarossi emessi dal nostro corpo non attraversano liberamente una normale finestra chiusa.

Una parte della radiazione viene assorbita dal vetro e una parte può essere riflessa.

Se la finestra è aperta, invece, parte della radiazione può propagarsi direttamente verso l'esterno.

Una volta nell'atmosfera, alcuni fotoni vengono assorbiti dalle molecole presenti nell'aria o dalle nubi.

Altri possono continuare a propagarsi e, nelle opportune bande dello spettro, raggiungere lo spazio.

In conclusione

Quando spengo una lampadina non faccio scomparire istantaneamente i fotoni presenti nella stanza.

Interrompo la produzione di nuova luce.

I fotoni già emessi continuano a propagarsi alla velocità della luce. Possono essere riflessi dalle superfici, attraversare alcuni materiali, uscire dall'ambiente oppure essere assorbiti.

Quando un fotone viene assorbito, cessa di esistere come fotone e trasferisce la propria energia e quantità di moto alla materia.

La stanza diventa rapidamente buia perché le superfici reali non riflettono perfettamente la luce e le successive interazioni riducono rapidamente la radiazione visibile rimasta.

Tuttavia, buio non significa assenza di fotoni.

Anche quando la lampada è spenta, le pareti, i mobili e il nostro corpo continuano a emettere radiazione termica, soprattutto nell'infrarosso.

Quindi, spegnendo la luce non fermo i processi elettromagnetici presenti nella stanza.

Smetto semplicemente di vedere una parte di ciò che continua ad accadere.