Al fine di considerare le prime importanti implicazioni che derivano dagli studi sulla natura corpuscolare della luce,inizierò a discutere di alcuni semplici esperimenti
riguardanti la luce polarizzata.
Sappiamo che se inviamo un fascio di luce monocromatica,di frequenza f e polarizzazione piana (ad es. verticale),su di un filtro che ha il piano di polarizzazione non
coincidente con quello del fascio,l'energia luminosa che oltrepassa il filtro è ridotta rispetto a quella incidente.
Supponiamo che,in media,un fotone al secondo riesca ad investire la lente polarizzata.
Secondo la legge di Malus,l'irradiamento della luce uscente dal filtro è ridotto (di un fattore cos^2 (alfa)) rispetto a quello incidente.
Come si può spiegare tale risultato ?
Dalle analisi fatte da Planck e da Einstein,la risposta non può che essere una sola: le radiazioni elettromagnetiche sono quantizzate e,dato che il filtro non altera la
frequenza delle radiazioni,la conclusione è che non tutti i fotoni riescono ad attraversare il filtro e il numero di quelli uscenti da esso è ridotto proprio della misura
rilevata dalla legge di Malus.
Quindi se il filtro ha un'orientazione verticale,la stessa del fascio di luce polarizzata,tutti i fotoni lo superano,se l'orientazione è orizzontale nessuno è in grado
di attraversarlo mentre se l'orientazione è a 45° (il che comporta una riduzione del 50% dell'intensità energetica del fascio) mediamente un solo fotone su due riesce a oltrepassare la lente.
Occorre però fare due precisazioni.
La prima riguarda il significato dell'espressione "un fotone che attraversa il filtro": la questione è importantissima poiché,come vedremo meglio in seguito,tocca uno
dei temi centrali della teoria quantistica e cioè il modo secondo cui un evento microscopico deve essere "amplificato" a livello macroscopico per poter essere percepibile.
Diversi strumenti sono in grado di rivelare l'arrivo di un fotone; come avviene,ad esempio,nei contatori Geiger,si potrebbe fare in modo che un fotone inneschi un
determinato processo per cui il rivelatore emette un suono udibile oppure si potrebbe utilizzare una lastra fotografica che,investita dal fotone,rimane impressionata.
Mi limito a far notare che,per il momento,quando dirò che un fotone ha oltrepassato il filtro intenderò dire che il rivelatore ha registrato un evento.
La seconda osservazione fa riferimento alla situazione in cui alcuni fotoni attraversano il filtro e altri no,a caso.
Cosa significa "a caso" ?
I fotoni sono dotati di una loro caratteristica peculiare che ne condiziona,in qualche modo,il passaggio attraverso il filtro polarizzatore ?
A tale riguardo,posso senz'altro asserire che non esiste assolutamente nulla che possa differenziare un fotone dall'altro e che quindi è impossibile sapere a priori
quali fotoni supereranno il filtro e quali no.
Quest'ultimo punto,che in sintesi sottolinea la intrinseca aleatorietà dei fenomeni microscopici,è,a mio avviso,di notevole rilevanza concettuale e ne discuteremo
meglio in seguito.
Tornando ora ai fenomeni che riguardano i quanti di luce,lo stesso esperimento illustrato sopra (fascio di luce polarizzata che incide su un filtro polaroid) può essere
ripetuto per il caso in cui lo stesso fascio di fotoni polarizzati incida su un cristallo birifrangente (leggi la nota sotto): ancora una volta ciascun fotone,comportandosi come un'unità indivisibile,attiverà o il rivelatore posto lungo il raggio ordinario o quello posto lungo quello straordinario.
Tale scelta effettuata da parte del fotone avviene in base a precise leggi probabilistiche che garantiscono la corretta intensità energetica dei raggi uscenti dal
cristallo,come richiesto dalla legge di Malus.
In definitiva,se consideriamo il formalismo quantistico corretto e completo (i due aggettivi non sono posti a caso,tornerò su questo punto),emerge la natura,come già anticipato poco sopra,intrinsecamente probabilistica della nuova teoria e cioè,a differenza di quanto avviene nel caso della fisica classica,non si può prevedere
l'esito di un fenomeno ma ci si dovrà accontentare di conoscere le probabilità di diversi esiti alternativi.
Analizzando,infine,i fenomeni di diffrazione e di interferenza alla luce della concezione corpuscolare,si ha riscontro teorico (confermato dall'esperienza) del
fatto che i singoli fotoni anche in questo caso andranno a sistemarsi in un punto preciso dello schermo in modo tale che,secondo leggi probabilistiche ben determinate,finiranno preferibilmente su quei punti in cui la densità di energia risulta maggiore e non finiranno mai su quei punti,a interferenza negativa,in cui il campo elettrico è nullo.
Nel seguito prenderò in considerazione particelle materiali,anziché i fotoni,proponendo l'analogo dell'esperimento sopra descritto della formazione della figura di
interferenza nel caso,appunto,di una interferenza dovuta ad elettroni.
Ciò consentirà di confermare l'ipotesi di De Broglie sulla natura ondulatoria delle particelle ma anche il fatto che,in qualsiasi esperimento atto ad identificarne la
posizione,esse si comportano come oggetti puntiformi e ben localizzati.
Buona lettura ;)
P.S. I cristalli birifrangenti sono oggetti che,a differenza delle lenti polaroid,sono molto difficili da reperire presso il vostro ottico di fiducia,anche se non sono
difficili da produrre.
Si tratta di strumenti ottici che non hanno una struttura isotropa,cioè sono in grado di alterare la propagazione della luce in base alla direzione di propagazione e
alla polarizzazione del fascio luminoso.
In particolare,considerando il cristallo opportunamente tagliato,non deflette il raggio se esso è polarizzato sul piano verticale mentre lo sposta,di un certo angolo
che dipende dal suo spessore,se esso è polarizzato orizzontalmente.
In altre parole,nel momento in cui un fascio luminoso attraversa il cristallo birifrangente (ad es. la calcite) si suddividerà in due fasci: il primo,denominato raggio
ordinario,non deflesso rispetto al raggio incidente,con irradiamento ridotto di un fattore cos^2 (alfa),e il secondo,detto raggio straordinario,spostato rispetto a
quello incidente,con intensità ridotta di una frazione 1-cos^2 (alfa)=sen^2 (alfa).
Ovviamente,la somma delle due intensità è pari a quella del fascio incidente.
