Fisica classica/Spettro delle onde elettromagnetiche

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Lo spettro delle onde elettromagnetiche, o semplicemente spettro, è l'intervallo di tutte le possibili radiazioni elettromagnetiche. La figura mostra tutte le possibili radiazioni dalle più brevi ed energetiche, i raggi gamma, alle più lunghe, le onde radio. Secondo la descrizione quantistica della radiazione, ad un'onda elettromagnetica è associata un valore preciso di energia, il quale dipende dalla frequenza di oscillazione dell'onda, secondo la nota relazione di Planck. Esiste un limite fisico alle lunghezze d'onda possibili: il limite superiore è dato dalle dimensioni dell'Universo, cioè non possono esistere radiazioni con lunghezza d'onda maggiori dell'universo, il limite inferiore è invece rappresentato dalla lunghezza di Planck.

Spettro elettromagnetico

Tipo di radiazione elettromagnetica	Frequenza	Lunghezza d'onda
LF	30 kHz – 300 kHz	10 km – 1 km
MF	300 kHz – 3 MHz	1 km – 100 m
HF	3 MHz – 30 MHz	100 m – 10 m
VHF	30 MHz – 300 MHz	10 m – 1 m
UHF	300 MHz – 3 GHz	1 m – 10 cm
Microonde	3 GHz – 300 GHz	10 cm – 1 mm
Infrarossi	300 GHz – 428 THz	1 mm – 780 nm
Luce visibile	428 THz – 749 THz	780 nm – 380 nm
Ultravioletti	749 THz – 30 PHz	380 nm – 10 nm
Raggi X	30 PHz – 300 EHz	10 nm – 1 pm
Raggi gamma	> 300 EHz	< 1 pm

Onde Radio

Animazione di una antenna dipolare a mezza onda irradia onde radio, sono mostrate le linee del campo elettrico. L'antenna al centro è fatta da due sbarre di metalli verticali con una corrente alternata applicata al suo centro da un generatore non mostrato. La tensione carica i due lati dell'antenna alternativamente con polarità positiva (+) e negativa (−). Le linee chiuse del campo elettrico (linee nere) lasciano l'antenna e viaggiano alla velocità della luce: sono le onde radio. L'animazione è al rallentatore.

Le frequenze inferiori a 3 GHz vengono chiamate genericamente onde radio. Sono le frequenze generalmente utilizzate nelle telecomunicazioni di tecnologia più datata come la radiofonia e la televisione, ma anche nella più recente telefonia mobile e le comunicazioni senza fili.

Le onde VHF e UHF si propagano praticamente senza assorbimento nell'atmosfera. Le frequenze HF o con valori inferiori invece sono riflesse dalla ionosfera e per questo sono utilizzate dai radioamatori per le comunicazioni su grande distanza. Cosa che non è possibile alle frequenze VHF e UHF.

Le onde radio sono generate e captate da antenne la cui dimensione è dello stesso ordine di grandezza della lunghezza d'onda da emettere o rivelare.

Il contenuto di informazione trasportabile da una onda elettromagnetica è tanto maggiore quanto maggiore è la frequenza di oscillazione dell'onda. La generazione di onde radio di frequenze via via più alte è una tendenza naturale delle telecomunicazioni, che ha comportato una crescente complessità tecnologica. Generare un segnale alternato di qualche KHz è facile anche con dispositivi conosciuti all'inizio del XX secolo. Via via che cresce la frequenza la complessità dei dispositivi elettronici cresce.

Microonde

Anche se ufficialmente le microonde sono al di sopra dei 3 GHz, nel linguaggio comune frequenze superiori a 1 GHz vengono dette microonde. La differenza sostanziale tra le microonde e le onde radio è la maggior frequenza propria e quindi, un diverso meccanismo di interazione con la materia. Secondo la meccanica quantistica, infatti, onde elettromagnetiche a diversa frequenza (e quindi diversa energia), vengono assorbite eccitando diversi stati energetici del materiale attraverso cui passano. Le onde radio attraversano inalterate la maggior parte della materia perché la piccola energia da esse trasportate può eccitare soltanto gli spin nucleari, i cui stati energetici sono separati soltanto in presenza di campo magnetico. Le microonde invece eccitano gli stati rotazionali della materia: un tipico forno a microonde, che opera alla frequenza di 2.45 GHz, è in grado di fare ruotare le molecole d'acqua contenute all'interno dei cibi. Questa rotazione, smorzata dall'attrito col mezzo circostante, permette di riscaldare in modo efficiente gli alimenti. Le microonde hanno trovato come primo uso il campo militare, infatti il Radar è stata la prima grossa applicazione delle microonde. Non è un caso che il primo forno a microonde sia stato fabbricato nel 1947 proprio dalla Raytheon, una delle principali ditte che produce Radar. Alcune molecole atmosferiche, oltre all'acqua, possiedono frequenze di risonanza nella parte delle microonde a più alta frequenza: la propagazione delle microonde nell'atmosfera è quindi fortemente influenzata da tale fattore. Per questo gli enti che sfruttano le microonde per le telecomunicazioni civili, devono solitamente scegliere opportune frequenze dello spettro, dette "finestre", in modo che il segnale trasmesso non venga assorbito dall'atmosfera. La generazione di microonde era inizialmente ottenuta mediante valvole termoioniche, tuttora utilizzati in applicazioni che richiedano elevata potenza di trasmissione. In realtà attualmente vi sono dispositivi attivi quali i magnetron ed i klystron che producono elevate potenze fino a frequenze di quasi 100 GHz. Inoltre per applicazioni di bassa potenza esistono vari tipi di dispositivi a stato solido.

Infrarosso

L'infrarosso trae il suo nome dal fatto che rappresenta le frequenze di valore minore a quella del rosso (ma superiore alle microonde). In realtà l'intervallo comprende radiazioni che hanno un comportamento molto differente. La parte vicina allo spettro visibile detta NIR (near infrared) ha un comportamento simile alla luce, mentre la parte bassa FIR (far infrared) ha un comportamento simile alle microonde. Mentre le microonde possono nella parte bassa dello spettro essere ancora prodotte da circuiti elettrici oscillanti, per l'infrarosso a frequenze più elevate ciò non è più possibile.

L'energia trasportata dalle radiazioni infrarosse è in grado di eccitare gli stati vibrazionali della materia. Poiché questi sono particolarmente rilevanti nella materia allo stato solido, la maggior parte della radiazione infrarossa passa inalterata attraverso l'atmosfera, e soltanto una piccola parte di essa è assorbita dalle molecole atmosferiche. L'effetto serra è un caso particolare in cui la radiazione infrarossa emanata dagli oggetti al suolo, riscaldati dal sole, non riesce a sfuggire nello spazio perché vi è una concentrazione troppo elevata di determinate molecole in atmosfera, in particolare l'anidride carbonica.

La sorgente più semplice e naturale di infrarossi sono i corpi caldi, infatti tutti i corpi emettono naturalmente onde elettromagnetiche con un spettro caratteristico che dipende essenzialmente dalla loro temperatura, la cosiddetta radiazione di corpo nero. La curva di emissione a campana molto stretta che ha un'ampiezza massima ad una lunghezza d'onda:

$\lambda \approx {\frac {2.9\cdot 10^{-3}}{T}}\$

Dove $T\$ è la temperatura espressa in gradi K, mentre la lunghezza d'onda è data in m. Dalla formula appare chiaro come fino a quando le temperature sono comprese tra circa 5 K e 3000 K, tale ampiezza massima cade proprio nell'infrarosso.

Infrarossi come la luce visibile possono essere prodotti ed assorbiti da fenomeni più squisitamente legati alla quantizzazione dei livelli energetici degli atomi. In genere tali fenomeni sono più caratteristici della parte dello spettro a più alta frequenza fino ai raggi X: ma alle frequenze degli infrarossi si hanno i primi salti energetici. Una particolarità degli infrarossi è che alcune sostanze che nel visibile appaiono scure come il silicio o il germanio sono per gran parte della banda infrarossa assolutamente trasparenti. Il coefficiente di assorbimento di tali materiali, semiconduttori, varia di molti ordini di grandezza in un piccolissimo intervallo di frequenze che cade nella parte alta degli infrarossi, il cosiddetto vicino infrarosso (NIR). Per dare una idea 7 mm di Silicio dimezzano l'ampiezza di infrarossi di lunghezza d'onda di 1030 nm, per evere lo stesso effetto con onde di lunghezza d'onda di 826 nm sono sufficienti 0.0014 mm di Silicio, mentre a lunghezza d'onda di 620 nm (luce rossa visibile) sono sufficienti appena 70 nm di Silicio.

La generazione di infrarossi nella regione NIR a spettro molto stretto viene fatta mediante dispositivi a stato solido quali i LED ed i Laser.

Secondo le conoscenze attuali non si conoscono effetti dannosi sul corpo umano delle radiazioni infrarossa di bassa intensità (come anche di ogni altra frequenza inferiore). L'unico effetto noto è l'assorbimento di tali radiazioni da parte di tessuti che si scaldano quindi solo grandi potenze producono effetti dannosi.

Il fenomeno può avere effetti negativi per particolari organi come l'occhio: la cornea oculare è infatti un tessuto dotato di scarsissima irrorazione sanguigna. Pertanto non è in grado di dissipare efficacemente il calore che può essere trasmesso da una radiazione infrarossa ad elevata potenza come quella di un laser. L'esposizione frequente a sorgenti IR ad elevata potenza è infatti spesso correlata all'insorgenza di cataratta.

Luce visibile

La regione dello spettro con lunghezze d'onda compreso tra 760 nm, (rosso) e 380 nm (violetto) è l'unico intervallo di frequenze per cui l'occhio umano è sensibile. A radiazioni visibili di diversa lunghezza d'onda (e quindi frequenza) corrispondono tutti i diversi colori dell'arcobaleno. Vi è una quasi perfetta coincidenza tra la sensibilità dell'occhio umano e la radiazione emessa dal sole. Infatti la radiazione di corpo nero del sole è quella di un corpo alla temperatura di 5700 K, e tale temperatura ha un picco ad una lunghezza d'onda di 550 nm (il colore blu-verde dello spettro visibile). L'occhio umano ha la massima sensibilità a tale lunghezza d'onda e tale sensibilità diminuisce rapidamente sia per lunghezze d'onda più corte (violetto), sia per quelle più lunghe (rosso). La luce visibile è in grado di eccitare gli stati energetici elettronici. Se un oggetto è colorato ciò è dovuto essenzialmente al fatto che gli atomi o le molecole della superficie dell'oggetto possono assorbire una parte (certe lunghezze d'onda) della luce che li investe portando gli elettroni a livelli energetici più alti. Il colore specifico che l'oggetto assume dipende dal materiale superficiale ed è determinato dalle regole di addizione e sottrazione dei colori: è infatti la luce non assorbita che, rimbalzando sull'oggetto, arriva all'occhio umano che in seguito decodifica e assegna il colore all'oggetto.

Ultravioletto

Nella parte successiva dello spettro vengono gli Ultravioletti indicati con l'acronimo UV. Le frequenze al di sopra del visibile manifestano molto chiaramente il carattere quantistico della radiazione elettromagnetica. La radiazione UV ha energia sufficiente a spezzare legami molecolari e ionizzare parzialmente gli atomi. Gli effetti dannosi sul corpo umano di tali radiazioni sono ben note in quanto tali radiazioni non solo provocano bruciature, ma possono causare danni irreparabili ai tessuti del corpo umano. Il sole emette, principalmente luce visibile, ma anche una certa quantità di UV. Gli UV rappresentano una percentuale minima della radiazione totale emessa dal sole; purtuttavia se non avessimo lo schermo naturale dell'atmosfera e dei gas come l'ozono, la quantità di radiazione che arriverebbe non sarebbe compatibile con la vita umana.

Una parte della radiazione ultravioletta è essenziale in alcuni processi biologici, quale la produzione di Vitamina D. Inoltre viene utilizzata con successo in alcune terapie antibatteriche quali la sterilizzazione.

Il coefficiente di assorbimento degli UV è molto grande per quasi tutti i materiali, ad esempio il vetro di buona qualità che è molto trasparente nel visibile negli UV è estremamente assorbente: lo spessore del parabrezza di una autovettura è sufficiente ad eliminare praticamente tutta la radiazione UV del sole. Solo il quarzo ha un coefficiente di assorbimento più piccolo per la parte dello spettro UV a più bassa frequenza. A lunghezze d'onda inferiori a 200 nm il quarzo, ma anche l'aria ( a causa dell'ossigeno presente) assorbe fortemente gli UV.

Gli UV sono utilizzati molto nella microlettronica, proprio a causa della lunghezza d'onda estremamente piccola, ma trovano applicazioni anche in alcune tecniche diagnostiche.

Gli UV nella parte bassa dello spettro (400-300 nm) sono prodotti mediante scariche in gas a bassa pressione in tubi di quarzo. Nella parte più alta dello spettro con tecniche simili ai raggi X.

Raggi X

I raggi X sono stati scoperti solo alla fine del XIX secolo (differentemente dagli ultravioletti noti da un secolo prima).

La ragione è che la loro produzione non è semplice. Infatti vengono principalmente prodotti bombardando dei bersagli metallici con elettroni di alta energia e quindi che viaggiano in un vuoto spinto. I raggi X prodotti dipendono sia dall'energia degli elettroni incidenti, ma anche dal bersaglio. Infatti la componente continua ha una intensità tanto maggiore quanto maggiore è il numero atomico ma l'energia dei raggi X non eccede quella degli elettroni incidenti. La componente continua è dovuta alla radiazione di decelerazione degli elettroni. Vi è inoltre una componente discreta è dovuta al fatto che nell'urto vengono strappati gli elettroni più profondi del bersaglio e nel ristabilirsi della condizione di equilibrio, transizione degli elettroni esterni nei livelli profondi liberati, vengono emessi raggi X con la frequenza corrispondente alla differenza di energia tra i due livelli. Quindi se usiamo Ferro riusciamo a produrre righe di raggi X tra 0.17 nm e 0.19 nm (4 righe), mentre se usiamo Molibdeno avremo raggi X tra 0.063 nm e 0.071 nm.

Attualmente mediante radiazione di sincrotone si riescono a produrre con notevole intensità e controllabilità sia raggi X che radiazione UV.

L'utilizzazione più importanti dei Raggi X, fin dalla loro scoperta, sono state in radiografia e cristallografia. In radiografia si sfrutta l'assorbimento diverso dei vari tessuti profondi del corpo umano. In cristallografia si sfrutta il fatto che i raggi X hanno una lunghezza d'onda paragonabile alla distanza tra gli atomi di un reticolo cristallino, e quindi l'immagine di diffrazione permette di conoscere la struttura atomica dei solidi.

Il corpo umano è abbastanza trasparente ai raggi X, pur tuttavia nell'attraversare il corpo umano ionizzano gli atomi presenti danneggiando in maniera irreversibile anche i tessuti profondi. Sono quindi classificati tra le radiazioni ionizzanti dannose all'organismo. Il danno provocato dai raggi X è peggiore di quello degli UV in quanto agisce a maggiore profondità e i raggi X hanno una energia per fotone maggiore. Schermi metallici spessi sono una buona protezione per radiazioni di tale tipo.

Raggi gamma

I raggi gamma rappresentano le lunghezze d'onda più brevi dello spettro delle onde elettromagnetiche. I raggi gamma sono prodotti da reazioni che avvengono all'interno del nucleo atomico. Vi è una parziale sovrapposizione tra raggi gamma e raggi X: in quanto i livelli energetici degli elettroni di atomi di grande numero atomico possono eccedere l'energie atomiche. Il potere penetrante dei raggi gamma è in genere molto maggiore di quello dei raggi X. Per questo per la protezione di tali radiazione si usano materiali ad alto peso atomico (tipo il piombo), tanto per dare una idea se 1 cm di Piombo dimezza i raggi gamma è necessario uno spessore di 6 cm di cemento per produrre lo stesso effetto. I raggi gamma vengono prodotti nel decadimento di isotopi radioattivi, non esistono altri metodi sulla terra per produrre tali radiazioni. Gli effetti sulla materia vivente dei raggi gamma sono molto peggiori dei raggi X a parità di intensità a causa della maggiore energia dei fotoni. Infatti la perdita di energia dei raggi gamma può avvenire in maniera più distruttiva per i tessuti che la semplice ionizzazione. Possono prodursi isotopi radioattivi, coppie di particelle ed elettroni secondari energetici mediante effetto Compton.