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L'UNIVERSO INVISIBILE

Lo spettro elettromagnetico

La natura delle onde elettromagnetiche

ondaPrima di capire quale sia la struttura di un’onda elettromagnetica è necessario capire cosa sia un’onda; un’onda è un’oscillazione periodica che può essere stazionaria se l’oscillazione non si propaga nello spazio oppure in moto in caso di propagazione. Le onde sono caratterizzate da creste e da avallamenti, i primi caratterizzano l’intensità maggiore di una grandezza fisica mentre i secondi caratterizzano l’intensità minore. L’onda è caratterizzata da una certa lunghezza, essa è la distanza tra una cresta e la successiva e da un’ampiezza che è il valore assunto dalla grandezza fisica dell’onda in una cresta rispetto al suo valore medio. L’ampiezza assume un’importanza assai rilevante perché in generale il suo quadrato fornisce una misura dell’energia trasportata dall’onda. Le onde elettromagnetiche sono onde di oscillazione del campo elettromagnetico, le oscillazioni del campo avvengono in direzione perpendicolare alla direzione di propagazione dell’onda che si muove nel vuoto alla velocità della luce che è di 300000 Km/s. Nel caso delle onde elettromagnetiche le creste rappresentano la massima intensità del campo mentre gli avallamenti rappresentano il massimo di intensità del campo con un verso opposto a quello delle creste. Lunghezza d’onda, periodo, e frequenza sono parametri assai importanti per un’onda elettromagnetica, in particolare si ha che l’energia dell’onda è dovuta al prodotto di una costante detta costante di Planck (h) con la frequenza f.

formula

 

La frequenza è a sua volta una grandezza fondamentale per la conoscenza delle onde elettromagnetiche, essa si pu&ògrave ricavare col seguente ragionamento, se c è la velocità dell’onda elettromagnetica allora l’onda in un secondo percorrerà c metri, dividendo questo numero per la lunghezza dell’onda l si ottiene il numero di cicli in un secondo che è la definizione di frequenza.

formula

 

A seconda della lunghezza d’onda le onde elettromagnetiche presentano energie differenti manifestandosi differentemente, in particolare i sistemi per generarle sono differenti e conseguenza di ciò anche i fenomeni naturali nel cielo che le generano sono assai differenti e riguardano differenti classi di astri.

schema spettro elettromagnetico

 

Consideriamo il grafico qui riportato, si tratta di una semplice schematizzazione di tutto lo spettro elettromagnetico, cioè è riportato in esso ogni tipo di onda elettromagnetica esistente in funzione dell’energia, proprio come apparirebbe dopo essere sparsa a ventaglio dopo il passaggio attraverso un mezzo dispersivo (prisma di vetro, reticolo di diffrazione). Come si vede la lunghezza d’onda decresce al crescere dell’energia e di conseguenza cambiano le manifestazioni delle onde elettromagnetiche.

 

Le onde radio

sole radioA basse energie abbiamo le onde radio che possono variare da lunghezze d’onda delle dimensioni di una città fino alle dimensioni di una persona, ad esempio una radio che trasmette a 100 MHz presenta una lunghezza d’onda di 33 cm, esse vengono usate per la comunicazione, possono essere emesse per mezzo di un campo elettrico oscillante su un’antenna.

 

 

Le microonde

micro sky

 

micro fornoLe microonde invece hanno le dimensioni di una capocchia di spillo, vengono emesse con circuiti elettrici chiamati Claystron e Magnetron, il loro utilizzo è legato all’aviazione civile e militare con i Radar e ai forni a microonde per cucinare cibi.

 

Gli infrarossi

infra cat crabOltre le microonde ci sono i raggi infrarossi, da noi percepiti sotto forma di calore, sono detti anche raggi termici. L’emissione infrarossa deriva dallo spettro di corpo nero, in pratica un corpo qualsiasi emette radiazione elettromagnetica con un picco ad una lunghezza d’onda inversamente proporzionale alla temperatura del corpo emittente, per cui un corpo relativamente freddo come quello di un essere umano (36°C) emette la maggior parte della sua radiazione nell’infrarosso.

 

blackbody

Per capirci meglio osserviamo l’immagine del gattino riportata a fianco, il naso freddo è indicato di colore azzurro, mentre le parti arancioni come gli occhi e i lobi pi&ùgrave interni delle orecchie sono quelle pi&ùgrave calde. In astronomia gli astri pi&ùgrave luminosi in infrarosso sono spesso quasi invisibili in ottico perchè troppo freddi per emettere luce visibile. Queste radiazioni si presentano con lunghezze d’onda delle dimensioni cellulari.

 

La Luce

vis-crabQuesto tipo di radiazione elettromagnetica ha un’energia i grado di rompere i legami molecolari di alcune sostanze presenti nelle cellule della retina favorendo lo sviluppo di un impulso elettrico che mediante il nervo ottico viene trasferito al cervello ed interpretato come immagine; quindi questa è l’unica banda in grado di essere percepita con gli unici strumenti forniti dalla natura, quindi un’immagine astronomica in un’altra banda è un processo dovuto ad uno strumento e un terminale che consente di modificare una sequenza di luminosità in una certa banda in una sequenza di colori di luce in modo da poterla vedere. Questo è possibile perché la luce non è percepita in modo uniforme dal nostro occhio ma sotto forma di una sequenza di colori infatti le radiazioni luminose a più bassa energia con lunghezza d’onda di 700 nm producono solo alcune reazioni nella retina e vengono percepite col colore rosso, quelle più energetiche con lunghezza d’onda di 400 nm invece producono molte più reazioni e vengono percepite col colore violetto.

 

L’ultravioletto

crab-uvLa radiazione ultravioletta invece ha un’energia più elevata di quella visibile, questi raggi sono quasi totalmente schermati dallo scudo di ozono che dovrebbe avvolgere il nostro pianeta e che attualmente sembra presentare degli assottigliamenti. La notevole energia associata a questa radiazione è causa dell’abbronzatura durante l’esposizione ai raggi solari e in alcuni casi una massiccia esposizione può essere causa di tumori. Le lunghezze dell’onda sono paragonabili alle dimensioni molecolari, esse hanno anche energie prossime a quelle necessarie per spezzare i legami molecolare e spesso vengono assorbite da molecole.

 

I raggi X

crab-XI raggi X furono scoperti da Röntgen. Immediatamente ci si accorse che, grazie all’enorme energia posseduta, avevano straordinarie capacità di penetrazione della materia. Questa proprietà li rende assai pericolosi, in quanto favoriscono lo sviluppo del cancro.

x-rayTuttavia essi sono anche di estrema utilità in medicina per ottenere radiografie ed in molti campi della fisica, per esempio per lo studio delle strutture cristalline. In quest’ultimo caso si sfrutta la proprietà di alcuni raggi X di avere una lunghezza d’onda paragonabile alla distanza interatomica e alle dimensioni atomiche per cui i raggi X vengono diffusi in maniera differente a seconda dell’orientazione del cristallo.

 

I raggi gamma

I raggi gamma sono le radiazione elettromagnetiche più energetiche che si conoscano, la loro scoperta risale allo studio delle emissioni radioattive dei nuclei atomici, la loro capacità di penetrazione è straordinaria e i meccanismi di produzione sono sempre legati a processi nucleari o di fisica delle particelle elementari. La lunghezza d’onda di queste radiazioni è dell’ordine delle dimensioni nucleari, le energie in gioco possono arrivare a toccare un miliardo di elettronvolt oltre 200 milioni di volte l’energia del visibile e ciò rende conto della loro straordinaria capacità di penetrazione.

 

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