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Lo spettro delle onde elettromagnetiche


Introduzione
Laddove esiste un campo elettrico esiste pure un campo magnetico e viceversa. Nel caso di fenomeni dipendenti dal tempo, non è più possibile studiare separatamente il campo elettrico da quello magnetico. A causa di questa inseparabilità si parla di campo elettromagnetico. Quando la corrente oscilla (cioè inverte periodicamente la sua direzione) si produce nelle vicinanze un campo magnetico che oscilla anch’esso e che, a sua volta, induce un altro campo elettrico oscillatorio nelle sue vicinanze e così via. Si crea, in questo modo, una perturbazione fatta di campi elettrici e campi magnetici indotti che si allontana dalla fonte originaria con una velocità uguale a 300.000 km al secondo nel vuoto. Ecco dunque definite le onde elettromagnetiche. Esse sono il risultato di questa perturbazione che si è creata e sono per l’appunto chiamate "onde" perché si muovono nello spazio proprio come le onde del mare.

 

Natura delle Onde Elettromagnetiche
Esse in realtà dispongono di una doppia natura, visto che manifestano contemporaneamente tanto la loro natura ondulatoria quanto quella corpuscolare. In generale, si può dire che per le radiazioni a frequenza più bassa (vedi onde radio) la natura ondulatoria prevale su quella corpuscolare (che pure è presente), mentre per quelle a frequenze superiori (vedi luce e superiori) è la natura corpuscolare, rappresentata dai fotoni, a prevalere su quella ondulatoria.

 

Come si misurano
E’ possibile classificare queste radiazioni mediante due diverse unità di misura: il metro oppure l’hertz. Con la prima indicheremo la "lunghezza dell’onda" che è la distanza esistente fra la cresta di un’onda e quella successiva; e con la seconda indicheremo invece la "frequenza", ossia il numero di onde che passano per un punto in un secondo. Nel loro complesso, le onde elettromagnetiche si distribuiscono lungo uno spettro entro il quale possiamo trovare le "onde radio", per poi arrivare alle "microonde", agli "infrarossi", alla "luce visibile", agli "ultravioletti", ai "raggi X" e ai "raggi gamma". Da quanto abbiamo detto, dunque, è facile notare come anche la "luce visibile" sia il risultato dell’emissione di onde elettromagnetiche. Il motivo per cui vediamo la luce "visibile" e non invece quella "infrarossa" o quella "ultravioletta" è proprio da ricercare nelle differenti "frequenze" delle varie onde elettromagnetiche in questione. La luce "visibile" è collocata tra la luce infrarossa, di energia minore, e la più energetica luce ultravioletta.

 

I fotoni sono la loro energia
L’energia di un’onda elettromagnetica è data dalla somma delle energie dei suoi fotoni. Nello specifico, alle estremità opposte dello spettro troviamo le onde radio, i cui fotoni sono meno energetici, e i raggi gamma, i cui fotoni sono invece altamente energetici. Questi ultimi, infatti, dispongono di energie comprese tra 100 mila e mille miliardi (10 alla dodicesima) eV, mentre la "luce visibile" si consideri che è composta da fotoni con energie comprese appena tra 2 e 3 eV. A proposito dello spettro elettromagnetico di cui dicevamo, dobbiamo sottolineare come non esistano dei limiti esattamente ben definiti che separano i vari intervalli e pertanto sono da considerare solo a titolo indicativo (la fig. A riproduce lo spettro elettromagnetico). Caratteristica comune a tutti i tipi di radiazione è la cessione di energia alla materia attraversata. L'assorbimento di energia si manifesta in genere in un aumento locale di temperatura. E’ naturale che il riscaldamento più rapido e maggiore avviene laddove un materiale è colpito da onde elettromagnetiche costituite da fotoni più energetici. In questo caso, infatti, la loro interazione con la materia è superiore giacché essi hanno una "fisicità" tale da poter colpire a livello molecolare o addirittura atomico il materiale in questione. Quando addirittura i fotoni sono capaci di scomporre e modificare la struttura di un atomo (rendendolo uno ione) si parla di onde elettromagnetiche ionizzanti che risultano essere altamente dannose se assorbite dagli esseri viventi.

 

Le Onde Radio
Le onde radio sono la porzione dello spettro elettromagnetico che ha la frequenza più bassa e la lunghezza d’onda maggiore. Grosso modo diremo che tutte quelle onde elettromagnetiche che emettono su lunghezze d’onda superiori ai 4-5 metri sono "onde radio". E’ interessante sottolineare anche come esse siano quelle che più si comportano come onde. Convenzionalmente, si parla di onde radio "lunghe" per frequenze comprese tra i 150 e 350 kHz, "medie" per quelle comprese tra i 500 e i 1600 kHz e "corte" per frequenze che variano tra i 6 e i 18 mHz. Le comunicazioni radio sono quelle che si avvalgono di queste frequenze. Tuttavia, non possiamo utilizzarle esattamente tutte. Dobbiamo immaginare, infatti, che la nostra onda elettromagnetica sia una specie di contenitore entro il quale dobbiamo riporre codificato (modulato) il nostro "messaggio vocale". Poiché la voce ha una gamma che varia circa tra i 200 Hz e i 4 kHz è evidente che utilizzare onde elettromagnetiche troppo vicine a queste frequenze è praticamente impossibile. Infatti, la modulazione massima possibile di un’onda è pari al 100%, il che significa, in teoria, che una voce potrebbe essere modulata e trasmessa anche su frequenze pari ai 4 kHz. Tuttavia, ciò in pratica è presso che impossibile. Teniamo conto, infatti, che non solo il contenitore deve essere più grande del suo contenuto ma deve anche essere piuttosto capiente. Insomma, tanto per rimanere nell’esempio, diremo che tanto maggiore è la capienza del contenitore tanto migliore sarà la qualità di mantenimento del suo contenuto. Morale della storia, utilizzare frequenze inferiori ai 150 kHz non è conveniente ed infatti ufficialmente non vengono sfruttate per comunicazioni radiofoniche. Addirittura poi, modulare sotto i 30 kHz è del tutto impossibile. Frequenze al di sotto di questa banda si impiegano esclusivamente per la trasmissione di messaggi in CW (morse), RTTY (telescrivente) e FAX. In Europa il traffico civile termina in VLF (Onde Ultralunghe) con la stazione campione inglese GBR su 19,5 kHz. Soltanto fenomeni naturali (i fulmini per esempio) hanno tanta energia da riuscire ad emettere efficacemente anche su frequenze inferiori. Ne scaturisce, dunque, che Radio Vaticana, per esempio, che è la stazione più potente del mondo, trasmette su 526 kHz, i baracchini su 27 mHz, le radio private in FM trasmettono tra 88 e 108 mHz, la TV tra 600 e 800 mHz, i cellulari sui 950 mHz o sui 1,2 gHz.

 

Le Microonde
Emettono su lunghezze d’onda comprese tra 10 cm e 1 mm e per la loro natura sono più simili ad onde piuttosto che alla luce. La natura corpuscolare (fotonica) delle onde elettromagnetiche si fa vistosa man mano che ci spostiamo verso gli infarossi.

 

Gli Infrarossi
Più ci spostiamo verso la luce e più possiamo apprezzare la natura corpuscolare delle onde elettromagnetiche, tanto è vero che queste finiscono con l’interagire più distintamente con la struttura della materia. Gli infrarossi sono in linea di massima tutte quelle onde elettromagnetiche che hanno una lunghezza d’onda compresa tra un millimetro e 700 nanometri (un nanometro è la milionesima parte del millimetro). Gli infrarossi sono un sistema molto diffuso per la trasmissione dei dati, basti pensare al telecomando della televisione o dei cancelli automatici. Utilizzano frequenze piuttosto elevate (intorno ai mille GHz) che sono praticamente molto vicine a quelle della luce, ed è per questo motivo che non attraversano mezzi solidi e sono limitati a trasmissioni su brevi distanze. Poiché utilizzano le frequenze della luce, non c’è ente governativo che ne regoli l'uso (come avviene invece molto spesso con le onde radio). Gli infrarossi sono assorbiti dal vapore acqueo. In natura tale caratteristica è evidenziata dal famoso effetto serra. Di notte la terra ed i mari, anche se in maniera diversa, si comportano da superfici riflettenti ed emettono raggi infrarossi in direzione dello spazio. Questo fatto porterebbe ad un rapido raffreddamento della superficie terrestre, dato che l'emissione di raggi infrarossi coincide con la perdita di calore. Tali raggi però vengono totalmente assorbiti dal vapore acqueo delle nubi e dall'anidride carbonica presenti nell'atmosfera. Questo effetto protettivo dell'involucro atmosferico è conosciuto per l’appunto come effetto serra, in quanto evita un repentino raffreddamento della superficie terrestre. Poiché le fonti di calore emettono in prevalenza sulle lunghezze d’onda degli infrarossi, è possibile individuare tali sorgenti, anche in totale assenza di luce, se si dispone di un rilevatore agli infrarossi. Pertanto, ecco spiegato perché strumentazioni in grado di "vedere" il calore agli infrarossi sono ampiamente utilizzate in campo militare. Basti pensare alle apparecchiature utilizzate durante la guerra del Golfo. Queste riuscivano a "vedere" i carri armati che si spostavano nella fredda e buia notte del deserto, riuscendo così a colpirli. Per altro, basta disporre di un buon visore agli infrarossi e di un faro che proietta luce infrarossa per poter controllare un ambiente totalmente buio potendolo tenere sotto controllo come se si fosse in pieno giorno.

 

La Luce Visibile
Come detto, la stessa luce visibile è costituita da onde elettromagnetiche. Per l’esattezza da quelle onde elettromagnetiche comprese tra i 700 e i 400 nanometri. La luce visibile è solo una frazione dell'ampio spettro delle radiazioni elettromagnetiche. La maggior parte dello spettro è invisibile. Quando la luce si diffonde in un ambiente, finisce col giungere ad un oggetto sul quale in parte rimbalza ed in parte viene assorbita. Sono sempre le proprietà elettriche e magnetiche del materiale colpito a stabilire quale parte delle onde sarà assorbita e quale invece sarà riflessa, assegnando così il colore all’oggetto. Infatti, anche all’interno della fetta di spettro che costituisce "il visibile" notiamo che man mano che ci spostiamo da un estremo all’altro, le onde elettromagnetiche aumentano la loro "frequenza" e, naturalmente, al tempo stesso diminuiscono la loro "lunghezza d’onda". Ogni frequenza (e chiaramente ogni relativa lunghezza d’onda) viene percepita dai nostri occhi sotto un colore differente. Così il rosso emette con lunghezze d’onda prossime ai 700 nanometri (rosso cupo) mentre quella del violetto è circa pari ai 400 nanometri (ricordiamo che un nanometro è la milionesima parte del millimetro). Questi sono i limiti estremi dei nostri sensori occhi. Prima del rosso ci sono gli "infrarossi" e dopo il viola ci sono gli "ultravioletti", ma tanto i primi quanto i secondi a noi risultano invisibili.

 

gli Ultravioletti
I raggi ultravioletti sono costituiti da radiazioni elettromagnetiche invisibili con lunghezza d’onda compresa tra i 400 e i 100 nanometri. Al suo interno, la banda dell’ultravioletto è convenzionalmente suddivisa in tre parti : le UVA (onde lunghe) comprese tra 400 e 315nm ; le UVB (onde medie) comprese tra 315 e 280nm; le UVC (onde corte) comprese tra 280 e 100nm. I raggi ultravioletti provenienti dal Sole sono in gran parte bloccati dall’ozono dell’atmosfera terrestre che lascia penetrare al suo interno solo i raggi UVA e una percentuale molto bassa di quelli UVB. I raggi UVC invece vengono totalmente assorbiti dall’atmosfera. I raggi UVA risultano persino positivi per il corpo umano se assunti in quantità moderate. Oltre a regalarci una piacevole abbronzatura, servono a prevenire diverse malattie tra cui il rachitismo e la sclerosi multipla. Discorso completamente diverso per i restanti raggi ultravioletti a frequenze superiori quali sono gli UVB e UVC. Questi se non fossero assorbiti dall’atmosfera sarebbero devastanti tanto per la fauna quanto per la flora terrestre. Sull’uomo sarebbero causa (e lo sono laddove è più marcato il problema del "buco dell’ozono") di tumori della pelle, lesioni agli occhi, indebolimento del sistema immunitario. Tutto questo perché questi tipi di radiazioni sono altamente energetici e possono interagire a livello molecolare con i tessuti organici. Anche sull’ambiente possono essere devastanti andando ad alterare gli ecosistemi acquatici e terrestri. Tali raggi hanno la capacità di inibire il processo di fotosintesi clorofilliana, riducendone la crescita e provocando gravi scompensi a livello di catena alimentare di interi ecosistemi.

 

Raggi X
Quando gli elettroni accelerati urtano un corpo solido e si fermano bruscamente, dal punto in cui è avvenuto l’impatto partono radiazioni, di lunghezza d’onda compresa tra 1 e 0,1 nanometri, che sono dette raggi X. La caratteristica più evidente dei raggi X è la loro straordinaria capacità penetrante. E’ proprio per questa loro qualità che sono utilizzati ampiamente in campo medico e nello studio atomico della cellula.

 

Raggi Gamma
Quando si parla di onde elettromagnetiche di lunghezza d’onda inferiore ai 0,1 nanometri si parla di raggi gamma. Questi sono i raggi che portano le energie più elevate. Sono detti fortemente ionizzanti poiché hanno la capacità di modificare la struttura elettronica degli atomi. Sono devastanti per gli esseri viventi. Fortunatamente, l’atmosfera terrestre li blocca e gli impedisce di accedere al suo interno. I Raggi X e quelli gamma sono abbondantissimi nello spazio ed è per questo che là, senza speciali protezioni, non può sopravvivere alcuna forma di vita.


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