Lo spettro elettromagnetico
Meccanismi di emissione
I principi di emissione delle onde elettromagnetiche possono essere molto diversi. L’emissione che più comunemente troviamo in astronomia è l’emissione termica. L’emissione termica è comune a tutti i corpi con temperatura superiore allo zero assoluto (-273,15 °C); infatti ogni corpo ad una certa temperatura T emette radiazione elettromagnetica con uno spettro ben approssimato dalla radiazione di corpo nero. Le leggi che regolano questo tipo di emissione sono tre, la prima dice che lo spettro della radiazione emessa segue la formula.
Dal punto di vista della fisica sperimentale e degli oggetti reali, il corpo nero non esiste ed è un’astrazione teorica, infatti non ci sono corpi con coefficienti di assorbimento uguali ad 1. Un corpo reale ha un coefficiente di assorbimento non molto lontano da 1 e lo spettro emesso è approssimato molto bene dallo spettro di corpo nero. La seconda legge che descrive il comportamento dell’emissione di corpo nero è la legge di Wien che afferma che il prodotto della lunghezza d’onda di massima emissione con la temperatura del corpo emittente è una costante, ciò significa che se aumenta la temperatura del corpo emittente la lunghezza d’onda λmax deve diminuire: quindi un corpo più è caldo e più emette a frequenze elevate. In altre parole, all’aumentare della temperatura diminuisce la lunghezza d’onda della radiazione emessa (aumenta la frequenza).
La terza legge dell’emissione termica afferma che l’energia emessa cresce con la quarta potenza della temepratura, cioè se raddoppio la temperatura di un corpo l’ energia emessa sarà 24=16 volte maggiore.
con s che è la costante di Stefan-Boltzmann.
Oltre ai processi termici appena discussi le onde elettromagnetiche possono essere prodotte con processi non termici che vedono protagonisti particelle dib alta energia e campi magnetici. Cominciamo ad esaminare il caso di elettroni in moto in un campo magnetico. A seconda dell’energia delle particelle si può produrre radiazione di ciclotrone o di sincrotrone. Lo spettro di questo tipo di radiazione presenta caratteristiche molto differenti da quello dell’emissione termica. emissione di sincrotone. Una particella carica in moto in un campo magnetico infatti subisce sempre una forza perpendicolare alla componente della velocità perpendicolare alle linee di campo e perpendicolare al campo magnetico stesso, questa forza
Fc si comporta come forza centripeta imponendo alle particelle un moto circolare che, a causa della componente della velocità lungo il campo, diventa una traiettoria a spirale.
Mentre il raggio r della circonferenza percorsa sarà:
Campi magnetici più intensi producono orbite con raggi più piccoli, mentre nello stesso campo magnetico i protoni percorrono un’orbita con raggio 2000 volte maggiore di quella percorsa dagli elettroni. Poiché il moto visto in un singolo piano perpendicolare alle linee di campo corrisponde ad un moto circolare uniforme, la carica elettrica risulta sottoposta all’accelerazione centripeta.
Le leggi dell’elettrodinamica classica affermano che una carica in moto rettilineo uniforme produce, oltre al solito campo elettrostatico, un campo magnetico; se la carica risulta accelerata o decelerata, si registra anche un’emissione di energia tramite radiazione elettromagnetica con conseguente perdita di energia cinetica della particella. Se l’elettrone è relativistico, cioè presenta una velocità prossima a quella della Luce (c = 299972 km/s) l’energia persa è parecchia a causa della dipendenza diretta dalla velocità dell’accelerazione e dalla dipendenza dell’energia emessa dalla quarta potenza dell’accelerazione, quindi l’emissione cade nei raggi gamma, viceversa per elettroni lenti l’emissione cade nelle onde radio.
Un ulteriore fenomeno in grado di provocare l’emissione di onde elettromagnetiche è la Bremsstrahlung. Questo fenomeno che letteralmente significa radiazione di frenamento fu studiato a lungo nel secolo scorso da Einstein e consiste nell’emissione di radiazione X e gamma da parte di cariche elettriche frenate dal transito ravvicinato a nuclei atomici.
In ultimo trattiamo processi fisici che rivestono una notevole importanza in meccanica quantistica e fisica atomica, si tratta dell’effetto Compton e l’effetto Compton inverso, della radiazione a 21 cm dell’idrogeno, delle emissioni da parte di atomi e nuclei eccitati e dell’annichilazione materia-antimateria.
L’effetto Compton consiste nell’urto tra un fotone di elevata energia ed un elettrone, l’elettrone acquista energia a scapito del fotone che vede così la frequenza ridotta; nell’effetto Compton inverso un fotone con energia E=hf urta un elettrone energetico che gli cede energia per cui il fotone diffuso avrà un’energia maggiore di quella del fotone iniziale.
La radiazione a 21 cm dell’idrogeno neutro è invece prodotta dalla transizione tra lo stato a spin paralleli tra elettrone e protone e lo stato a spin antiparalleli; lo stato a spin paralleli è instabile e si produce nello spazio interstellare a causa dell’urto tra le molecole di idrogeno neutro, la transizione allo stato stabile è assai improbabile ma l’emissione è comunque osservabile a causa dell’enorme disponibilità di idrogeno interstellare neutro.
Con analogo principio avvengono le emissioni atomiche e nucleari, lo stato stabile o fondamentale è sempre quello ad energia più bassa. A causa di urti, o altri fenomeni più complessi, un atomo o un nucleo può eccitarsi e successivamente diseccitarsi emettendo radiazione elettromagnetica, nel caso di atomi e molecole quest’emissione cadrà tra la banda Ultravioletta, Visibile e Infrarossa mentre in caso di nuclei atomici si parla di emissioni Gamma.
L’universo è principalmente costituito da materia, in realtà esiste anche l’antimateria che viene generata in alcuni processi naturali come il decadimento β+ durante i quali il positrone, cioè l’antielettrone, viene espulso da un nucleo atomico. L’antimateria è caratterizzata da particelle identiche a quella della materia ma con proprietà elettromagnetiche invertite; se una particella di materia urta una particella di antimateria le due particelle si annicchilano, cioè spariscono trasformandosi in due fotoni di equivalente energia. L’annichilazione elettrone-positrone produce due fotoni gamma da 511 keV.
animazioni onde elettromagnetiche
