Carissime leggitrici et carissimi leggitori, oggi vi invito a esplorare il primo di una serie di articoli legati ad uno dei fenomeni più affascinanti della natura: la luce. Per comprenderne l’essenza, è necessario addentrarsi nell’universo delle particelle fondamentali, i fotoni. Queste particelle, prive di massa a riposo, viaggiano alla velocità della luce nel vuoto (300 000 Km/s) trasportando energia e quantità di moto (QDM). Nel complesso Modello Standard della fisica delle particelle, i fotoni sono classificati come bosoni di gauge, particelle che mediano le forze fondamentali, in questo caso l’interazione elettromagnetica.

Approfondimento: Bosone e QDM

Un bosone di gauge, spiegato in termini semplici, è una particella che funge da intermediario per le forze della natura, permettendo alle particelle di interagire tra loro. I fotoni, ad esempio, sono i messaggeri dell’elettromagnetismo, la forza che governa le interazioni tra particelle cariche.

La quantità di moto, invece, rappresenta il prodotto della massa di un oggetto e la sua velocità, una grandezza vettoriale che indica sia la direzione che l’intensità del moto. Sebbene i fotoni non abbiano massa a riposo, la loro energia e velocità conferiscono loro una quantità di moto, permettendo loro di influenzare altre particelle e oggetti.

Prepariamoci adunque a intraprendere questo radioso viaggio illuminato dalla luce, e ricordate care amiche e amici che e’ grazie ai fotoni e all’ingegnosa architettura del nostro occhio che possiamo vedere e comprendere l’universo che ci avvolge, incluso leggere queste righe.

I nostri cari quanti di radiazione, giungendo fino alla retina, vengono accolti dai fotorecettori, conosciuti come coni e bastoncelli, che trasformano la loro energia luminosa in impulsi elettrici i quali, una volta inviati al cervello, vengono decodificati e trasformati in immagini, permettendoci di vedere il mondo in tutta la sua splendida complessità.

Premessa

Per comprendere la natura della luce, è fondamentale documentarci riguardo la configurazione elettronica degli atomi dunque il celeberrimo atomo di Bohr. Ogni elemento chimico possiede un insieme unico di livelli energetici, ovvero la disposizione degli elettroni attorno al nucleo atomico. Gli elettroni infatti occupano livelli energetici specifici determinati dalla struttura atomica, seguendo principi fondamentali come il principio di esclusione di Pauli, il principio di Aufbau e la regola di Hund.

Approfondimento Principi Fondamentali

Il principio di Aufbau stabilisce che gli elettroni riempiono prima gli orbitali a energia più bassa disponibili, mentre il principio di esclusione di Pauli afferma che ogni orbitale può contenere al massimo due elettroni con spin opposto. La regola di Hund, infine, indica che gli elettroni occupano singolarmente gli orbitali degeneri (con la stessa energia) prima di appaiarsi. Questa organizzazione degli elettroni nei vari orbitali è cruciale per determinare le proprietà chimiche e fisiche degli elementi.

Gli elettroni possono essere eccitati a livelli energetici più alti assorbendo energia, e quando tornano ai livelli inferiori, rilasciano l’energia in eccesso sotto forma di fotoni. Vi state chiedendo perche’ tornarno al livello piu’ basso ? Bene, la risposta e’ stabilita’. La tendenza a ritornare al loro livello energetico fondamentale è legata al loro livello energetico fondamentale ovvero lo stato a più bassa energia in cui un elettrone può trovarsi, rendendolo lo stato più stabile.

La differenza di energia tra i livelli determina la lunghezza d’onda della luce emessa, che corrisponde a vari colori visibili. Questa emissione di luce è fondamentale per molte applicazioni, dalla spettroscopia alla tecnologia laser.

Approndimento Livelli Energetici

Questo comportamento è in accordo con la seconda legge della termodinamica, che afferma che un sistema tende a muoversi verso uno stato di minima energia. Quando un elettrone ritorna al suo livello energetico fondamentale, l’energia assorbita viene rilasciata sotto forma di fotone, con una lunghezza d’onda determinata dalla differenza di energia tra il livello eccitato e quello fondamentale. Forzare un elettrone a rimanere in un livello energetico più alto richiede un input continuo di energia, rendendo tale stato altamente instabile e insostenibile a lungo termine.

Le luci del nord

Le affascinanti e incantevoli aurore polari rappresentano uno dei fenomeni naturali più noti del nostro pianeta, frutto dell’interazione tra i fotoni e l’atmosfera terrestre. Questi straordinari spettacoli si manifestano prevalentemente nelle regioni polari, grazie all’interazione tra il vento solare e i gas atmosferici.

Il vento solare, un flusso continuo di particelle cariche (protoni ed elettroni) emesso dal Sole, raggiunge la Terra e interagisce con il campo magnetico terrestre. Questo campo agisce come uno scudo, deviando la maggior parte delle particelle, ma nelle regioni polari, dove il campo è più debole, alcune di queste riescono a penetrare nell’atmosfera terrestre. Qui inizia il processo di generazione delle aurore.

Le particelle del vento solare, una volta entrate nell’atmosfera, collidono con gli atomi e le molecole di gas come ossigeno e azoto. Questa collisione provoca l’eccitazione degli elettroni all’interno degli atomi, facendoli passare a livelli energetici più alti. Tuttavia, questi elettroni tendono a ritornare rapidamente al loro stato energetico fondamentale, rilasciando l’energia accumulata sotto forma di fotoni. I fotoni emessi durante queste transizioni energetiche sono ciò che vediamo come luce nelle aurore.

I colori delle aurore dipendono dalla composizione dei gas atmosferici e dall’altitudine a cui avviene l’interazione. Ad esempio:

• Verde: Emette ossigeno a circa 100 km di altitudine.
• Rosso: Prodotto dall’ossigeno a quote più elevate.
• Blu e Viola: Derivano dall’azoto a quote più basse.

Queste diverse emissioni creano lo spettacolo multicolore delle aurore, in cui ogni colore corrisponde a una particolare transizione energetica di un gas specifico a una data altitudine.

Luci Non Terrestri

Le aurore non sono un fenomeno esclusivo della Terra; si verificano anche su altri pianeti del nostro sistema solare, come Giove, Saturno, Urano e Nettuno, e ognuna di queste manifestazioni celesti presenta caratteristiche uniche. Le aurore planetarie si formano quando particelle cariche provenienti dal vento solare interagiscono con i campi magnetici dei pianeti, inducendo spettacolari giochi di luce nell’atmosfera.

Su Giove, ad esempio, le aurore sono alimentate non solo dal vento solare, ma anche dall’interazione con la luna Io, nota per la sua intensa attività vulcanica. Le aurore gioviane possono estendersi per migliaia di chilometri, risultando molto più grandi di quelle terrestri, e sono visibili ai poli del pianeta come anelli luminosi che si accendono in una varietà di colori.

Anche su Saturno si osservano aurore spettacolari, sebbene con caratteristiche differenti. Il campo magnetico di Saturno è estremamente potente e avvolge l’intero pianeta, contribuendo a creare aurore che possono coprire interi poli. Le aurore su Saturno sono di dimensioni impressionanti, con anelli di luce che si estendono per migliaia di chilometri lungo le latitudini alte. La composizione dell’atmosfera saturniana, dominata dall’idrogeno, conferisce a queste aurore una varietà di colori affascinanti. Le osservazioni effettuate dalla sonda Cassini hanno mostrato che queste luci possono durare molte ore, e la loro intensità varia in base alle condizioni del vento solare e all’inclinazione del pianeta rispetto al Sole.

Grazie per Aver viaggiato con noi!

Le aurore polari non sono semplicemente uno spettacolo di luci nel cielo; esse sono una manifestazione viva delle leggi fondamentali della fisica. Come disse Richard Feynman, “Se pensi di capire gli elettroni, non li capisci.” Queste particelle subatomiche, così sfuggenti e misteriose, rivelano la loro complessità in spettacoli naturali come le aurore, dove l’invisibile diventa visibile e l’energia nascosta si trasforma in luce.

Attraverso la lente della fisica, ogni fotone emesso nelle aurore diventa un messaggero dell’interazione tra le forze cosmiche e la nostra atmosfera, mentre la loro traiettoria, curva e deviata dalla gravità, ci ricorda che la luce stessa è soggetta alle regole che governano l’universo. In questi giochi di luce e gravità, possiamo vedere una connessione profonda tra i fenomeni terrestri e i principi cosmici, uniti da un filo invisibile che collega il microcosmo degli elettroni al macrocosmo delle galassie. Grazie.