Colori, prismi e arcobaleni

Il vetro crown devia la luce violetta a 410 nm un po’ più di quella rossa a 660 nm, perché il suo indice di rifrazione è 1.530 per il violetto e 1.512 per il rosso.

La luce bianca è una miscela

Intorno alla metà degli anni 1660, Isaac Newton fece entrare un sottile fascio di luce solare in una stanza buia attraverso un foro nell’imposta e lo fece passare in un prisma di vetro. Sulla parete opposta apparve una fascia colorata. In un articolo del 1672, che un commento del 2015 sulla rivista della Royal Society Philosophical Transactions definisce il fondamento dell’ottica moderna, sostenne che i colori non sono aggiunti dal prisma: la luce bianca ne è una miscela e il prisma li separa perché ciascun colore subisce una rifrazione leggermente diversa. Mostrò anche che un singolo colore, isolato dalla fascia e fatto passare in un secondo prisma, rimane dello stesso colore.

OpenStax ne spiega il motivo. Per un dato materiale, l’indice di rifrazione dipende leggermente dalla lunghezza d’onda: aumenta quando la lunghezza d’onda diminuisce ed è massimo per il violetto. La luce violetta viene quindi deviata più di quella rossa e la luce bianca si apre a ventaglio nel consueto ordine dal rosso al violetto. Questa separazione della luce bianca nel suo spettro si chiama dispersione. Più in generale, si ha dispersione ogni volta che un processo cambia la direzione della luce di una quantità che dipende dalla lunghezza d’onda.

Colori e lunghezze d’onda

Di solito distinguiamo circa sei colori nell’arcobaleno: rosso, arancione, giallo, verde, blu e violetto; a volte si aggiunge l’indaco. OpenStax sottolinea che lo spettro è continuo: i nomi indicano intervalli di lunghezze d’onda, da circa 700 nm per il rosso a circa 400 nm per il violetto. Quando l’occhio riceve luce di una sola lunghezza d’onda, tendiamo a vedere uno di questi colori. Le tante altre tinte che percepiamo sono la risposta dell’occhio a miscele. La luce solare contiene tutte le lunghezze d’onda visibili e appare bianca, o appena gialla.

Gli oggetti devono il loro colore alla luce che ci rimandano. Una foglia appare verde alla luce del Sole perché riflette più luce verde degli altri colori e assorbe gran parte del resto. Con una luce priva di verde, la stessa foglia appare scura. Un filtro agisce in modo simile sulla luce che lo attraversa: un filtro rosso lascia passare il rosso e assorbe la maggior parte degli altri colori.

Gli arcobaleni

Un arcobaleno nasce dalla dispersione nelle gocce d’acqua. OpenStax descrive il percorso della luce: entra in una goccia, si riflette sul fondo ed esce, rifrangendosi sia all’ingresso sia all’uscita. Poiché l’indice dell’acqua cambia con la lunghezza d’onda, i colori escono con angoli leggermente diversi. Puoi vedere un arcobaleno solo con il Sole alle spalle. Ogni colore raggiunge l’occhio da gocce poste a un proprio angolo rispetto alla direzione della luce solare: ecco perché l’arcobaleno è un arco. Due riflessioni nelle gocce producono un arcobaleno secondario più tenue sopra il primo. Intorno al 1300, racconta OpenStax, Kamal al-Din al-Farisi in Persia studiò il fenomeno con un grande recipiente di vetro pieno d’acqua dentro una camera oscura, usato come una gigantesca goccia. Teodorico di Freiberg condusse esperimenti simili in Germania; entrambi partirono dal lavoro di Ibn al-Haytham.