Riflessione totale


La rifrazione della luce è uno di quei fenomeni fisici che sicuramente chi ha studiato un po’ di queste cose a scuola ricorda.

Nella sua manifestazione più comune, è quel fenomeno per cui la luce, passando da un mezzo otticamente meno denso ad un altro più denso devia il suo corso lungo una linea che si avvicina alla perpendicolare della superficie di separazione dei due mezzi. Per chiarire: la luce che arriva dall’aria obliquamente rispetto al pelo dell’acqua (in parte viene riflessa, ma quella che passa nell’acqua) cambia leggermente direzione e i suoi raggi diventano un po’ più vicini alla verticale. Per questo, ad esempio, il cucchiaino che sta parzialmente immerso nel bicchiere, visto da sopra, sembra spezzato alla superficie dell’acqua.

Il fenomeno storicamente è molto interessante, perché è possibile interpretarlo sia dal punto di vista della teoria corpuscolare della luce (cioè la antica teoria per cui la luce è composta di piccole particelle), come ad esempio fece Newton nella sua Opticks (1704), che dal punto di vista ondulatorio (cioè la teoria, anch’essa antica, per cui la luce è composta da onde di qualche tipo), che vide in Huygens un paladino (Traité de la lumière, 1690). Lo sviluppo della disputa tra le due teorie concorrenti vide la rifrazione come uno dei fenomeni cruciali, visto che le spiegazioni date dai due caposcuola non erano conciliabili e, dopo un certo periodo portò a dare ragione, seppur temporaneamente, all’olandese.

Il fenomeno che mi interessa, però, è l’opposto rispetto a quello che ho delineato qui sopra. Cioè, quello che accade quando la luce passa da un mezzo più denso ad uno meno denso, ad esempio quando si accende una lampada sott’acqua e la si osserva dal lato dell’aria. Le leggi della rifrazione sono ancora valide, e quello che succede è che la luce subacquea, quando passa obliquamente dall’acqua all’aria (in parte viene riflessa sott’acqua mentre quella che esce dall’acqua) subisce una deviazione di segno opposto rispetto a quella vista sopra, cioè anziché avvicinarsi alla verticale (visto che parliamo di un esempio concreto, supponiamo che la superficie di separazione tra acqua e aria sia perfettamente orizzontale), se ne allontana, avvicinandosi, invece, al pelo dell’acqua.

Il punto è che l’angolo che la luce uscente dall’acqua forma con la verticale dipende dall’angolo di incidenza, cioè da quanto è obliqua la luce che parte rispetto al pelo dell’acqua. Perciò un raggio di luce molto obliquo in partenza uscirà molto più vicina all’orizzontale rispetto ad un raggio che parte molto vicino alla verticale. Tornando all’esempio della lampada subacquea: i raggi che escono verticalmente dalla lampada usciranno dall’acqua ancora verticalmente e saranno visti da un osservatore posto esattamente sopra la lampada, sulla verticale. I raggi che escono dalla lampada sempre più obliqui rispetto alla verticale, però, verranno deviati ad angoli sempre più vicini all’orizzontale. Finché… finché esiste un angolo, chiamato angolo limite, per cui i raggi emessi a tale angolo, una volta raggiunto il pelo dell’acqua correranno orizzontalmente lungo quest’ultimo. Mentre i raggi emessi con angoli maggiori non usciranno proprio, ma verranno completamente riflessi dalla superficie di separazione. Oltre un certo angolo, la luce non è in grado di scappare, e viene completamente riflessa all’interno del mezzo più denso.

Questo se usiamo una lampada che emette raggi in tutte le direzioni. Ma se usiamo un proiettore (o un laser) che produce una luce focalizzata in una direzione precisa, se questo punta alla superficie formando con la verticale un angolo inferiore all’angolo limite, potremo vederne la luce dal bordo della piscina, ma se l’angolo è maggiore dell’angolo limite, non esiste nessuna posizione a bordo vasca in cui potremo vederla, semplicemente perché la luce verrà completamente riflessa all’interno dell’acqua.

Questo fenomeno viene sfruttato dalle comunicazioni in fibra ottica, dove un fascio luminoso (che contiene l’informazione) viaggia all’interno di una guida otticamente molto densa che, se non ha curve strette, impedisce alla luce di uscire e mantiene il fascio completamente all’interno, consentendo un’ottima qualità al segnale anche su distanze molto lunghe.

Se qualcuno è interessato ad approfondire, si trovano numerosi siti, oltre che i cari vecchi libri di fisica delle superiori.

Per chi, invece, non vuole approfondire il fenomeno fisico, lascio qui un’analogia, che è stata la causa di questo pensiero dedicato alla riflessione totale. L’analogia nasce da un romanzo che ho letto di recente, in cui si parla di una persona di una profondità notevole e di una certa densità interiore, che si sforza però, per motivi legati alle sue esperienze, di non lasciar trasparire all’esterno la propria luce, cercando invece di apparire completamente opaca. Solo un paio di altri personaggi, ponendosi in una prospettiva diversa, ma soprattutto alla stessa profondità e con la stessa densità, sono in grado di riconoscerne e apprezzarne la luminosità che altrimenti rimane nascosta ed invisibile.

E’ un’analogia che non aiuta a capire meglio il fenomeno fisico, ovviamente, che ha delle leggi matematiche piuttosto collaudate che lo descrivono meglio di ogni altro sproloquio. Ma se volessimo trattarla come un’analogia scientifica, cioè un modello, spingendoci un po’ oltre potremmo quasi arrivare a enunciare la bizzarra proprietà che “un profondo può nascondersi in un mondo superficiale, ma non viceversa”. E forse non è nemmeno troppo forzata.

Un commento

  1. affascinante (ovviamente non sapevo nulla di tutto questo…).
    e… elegante come un riccio

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