Che cos’è lo spettro elettromagnetico e come funziona
Le onde radio, le microonde, la radiazione infrarossa, la luce visibile, la radiazione ultravioletta, i raggi X e i raggi gamma possono produrre effetti molto diversi e trovano applicazioni altrettanto differenti. Eppure, dal punto di vista fisico, appartengono tutte alla stessa grande famiglia: quella delle onde elettromagnetiche.
Come abbiamo visto studiando le equazioni di Maxwell e la propagazione delle onde elettromagnetiche, una radiazione elettromagnetica è costituita da un campo elettrico e da un campo magnetico variabili, che si propagano nello spazio trasportando energia.
Ciò che distingue le diverse regioni dello spettro elettromagnetico non è quindi una diversa natura fisica dell’onda, ma principalmente il valore della sua frequenza \(f\) e, di conseguenza, della sua lunghezza d’onda \(\lambda\).
Nel vuoto queste grandezze sono legate dalla relazione
\[
c=\lambda f
\]
dove \(c\) rappresenta la velocità della luce nel vuoto.
Poiché \(c\) è costante, frequenza e lunghezza d’onda sono inversamente proporzionali: quando la frequenza aumenta, la lunghezza d’onda diminuisce; quando la frequenza diminuisce, la lunghezza d’onda aumenta.
Questo significa che un’onda radio, una radiazione infrarossa e un raggio X non sono tre fenomeni elettromagnetici differenti: occupano semplicemente regioni diverse dello stesso spettro.
Dalle onde radio ai raggi gamma
Lo spettro elettromagnetico si estende infatti su un intervallo enorme di frequenze e lunghezze d’onda. Alle frequenze più basse troviamo onde con lunghezze d’onda molto grandi, come molte onde radio. Aumentando progressivamente la frequenza incontriamo microonde, infrarosso, luce visibile, ultravioletto, raggi X e infine raggi gamma. Questi ultimi sono caratterizzati dalle frequenze più elevate e dalle lunghezze d’onda più piccole.
La luce che l’occhio umano riesce a percepire rappresenta quindi soltanto una piccolissima porzione dell’intero spettro elettromagnetico.
Questa unificazione è uno dei risultati più importanti dell’elettromagnetismo: fenomeni che l’esperienza quotidiana ci presenta come completamente diversi — una trasmissione radio, il calore irradiato da un corpo, la luce di una lampada o una radiografia — possono essere ricondotti alla propagazione della stessa realtà fisica, osservata in differenti intervalli di frequenza.
Struttura e continuità dello spettro
Lo spettro elettromagnetico è l’insieme di tutte le possibili radiazioni elettromagnetiche, ordinate in base alla loro frequenza \(f\) oppure, in modo equivalente, alla loro lunghezza d’onda \(\lambda\).
La relazione tra frequenza e lunghezza d’onda
Poiché nel vuoto vale la relazione
\[
c=\lambda f,
\]
ordinare lo spettro secondo frequenze crescenti equivale a ordinarlo secondo lunghezze d’onda decrescenti.
Procedendo dalle frequenze più basse verso quelle più alte si incontrano, convenzionalmente:
onde radio → microonde → infrarosso → luce visibile → ultravioletto → raggi X → raggi gamma.
Nella direzione opposta aumenta invece la lunghezza d’onda:
raggi gamma → raggi X → ultravioletto → luce visibile → infrarosso → microonde → onde radio.
L’estensione dello spettro è enorme. Le lunghezze d’onda possono variare da valori di molti chilometri, e anche maggiori, fino a dimensioni molto inferiori a quelle di un atomo; analogamente, le frequenze possono passare da valori molto bassi a valori superiori a \(10^{19}\ \text{Hz}\).
Per questo motivo, quando si rappresenta l’intero spettro elettromagnetico, è spesso utile ragionare per ordini di grandezza: passando da una regione all’altra, frequenza e lunghezza d’onda possono cambiare di fattori di mille, milioni o miliardi.
Uno spettro continuo, senza confini netti
Le diverse regioni dello spettro vengono denominate separatamente perché, al variare della frequenza, cambiano in modo significativo le modalità con cui la radiazione viene prodotta, rilevata e assorbita dalla materia e, di conseguenza, cambiano molti dei suoi effetti e delle sue applicazioni.
Questa suddivisione, tuttavia, non deve far pensare che lo spettro sia costituito da settori fisicamente separati. Frequenza e lunghezza d’onda possono assumere valori con continuità: tra una regione e quella successiva non esiste una discontinuità nella natura della radiazione elettromagnetica.
Proprio per questo i confini numerici tra alcune bande non sono sempre definiti in modo identico: possono dipendere dalle convenzioni adottate e dal particolare ambito scientifico o tecnologico considerato.
Lo spettro elettromagnetico deve quindi essere immaginato non come una successione di compartimenti rigidi, ma come un continuum di radiazioni elettromagnetiche che, pur condividendo la stessa natura fisica, manifestano proprietà ed effetti differenti al variare della frequenza e della lunghezza d’onda.
Lo spettro elettromagnetico è continuo: procedendo dalle onde radio ai raggi gamma aumenta la frequenza e diminuisce la lunghezza d’onda. In basso è ingrandita la piccola regione della luce visibile.
Dalla frequenza all’energia: il fotone
Finora abbiamo descritto la radiazione elettromagnetica utilizzando la teoria classica dell’elettromagnetismo. Le equazioni di Maxwell permettono infatti di comprendere come i campi elettrici e magnetici variabili possano propagarsi nello spazio sotto forma di onde elettromagnetiche.
Per comprendere pienamente alcune modalità con cui la radiazione interagisce con la materia è però necessario compiere un piccolo passo oltre la descrizione classica.
All’inizio del XX secolo, gli studi di Max Planck portarono all’introduzione di una nuova idea fondamentale: negli scambi tra radiazione e materia, l’energia elettromagnetica presenta un carattere quantizzato. Successivamente si affermò il concetto di fotone, il quanto di radiazione elettromagnetica.
L’energia \(E\) di un singolo fotone è direttamente proporzionale alla frequenza \(f\) della radiazione:
\[
E=hf
\]
dove \(h\) è la costante di Planck, il cui valore è
\[
h \approx 6{,}626\times10^{-34}\ \text{J}\cdot\text{s}.
\]
Questa relazione introduce una nuova chiave di lettura dello spettro elettromagnetico: all’aumentare della frequenza aumenta l’energia del singolo fotone.
Di conseguenza, le onde radio sono costituite da fotoni di energia molto piccola, mentre procedendo verso microonde, infrarosso, visibile, ultravioletto, raggi X e raggi gamma l’energia associata a ciascun fotone aumenta progressivamente.
Energia del fotone e lunghezza d’onda
Poiché nel vuoto
\[
f=\frac{c}{\lambda},
\]
la relazione di Planck può essere scritta anche nella forma
\[
E=\frac{hc}{\lambda}.
\]
L’energia del fotone è quindi inversamente proporzionale alla lunghezza d’onda: minore è \(\lambda\), maggiore è l’energia associata al singolo fotone.
Possiamo così leggere lo spettro attraverso tre grandezze strettamente collegate:
frequenza crescente → lunghezza d’onda decrescente → energia del fotone crescente.
È importante sottolineare che la relazione \(E=hf\) non deriva dalle equazioni di Maxwell. Con essa passiamo dalla descrizione classica della radiazione come onda elettromagnetica a un primo elemento della sua descrizione quantistica.
Le due descrizioni non devono essere considerate semplicemente alternative. Le proprietà ondulatorie permettono di comprendere fenomeni come propagazione, interferenza e polarizzazione, mentre il concetto di fotone diventa essenziale per interpretare numerosi processi di interazione tra radiazione e materia.
Questa nuova prospettiva sarà particolarmente importante quando distingueremo le radiazioni ionizzanti da quelle non ionizzanti: la possibilità che un singolo fotone provochi determinati processi nella materia dipende infatti dalla quantità di energia che esso possiede.
All’aumentare della frequenza diminuisce la lunghezza d’onda e aumenta l’energia del singolo fotone. La relazione E = hf introduce la quantizzazione dell’energia della radiazione, andando oltre la descrizione classica dell’onda elettromagnetica.
Energia del fotone e intensità: due concetti da non confondere
La relazione
\[
E=hf
\]
stabilisce che, aumentando la frequenza della radiazione, aumenta l’energia di ciascun fotone. Questo risultato non deve però essere confuso con l’energia complessivamente trasportata da una radiazione elettromagnetica.
Per comprendere la differenza è utile distinguere due grandezze fisiche.
La frequenza determina l’energia associata al singolo fotone: due radiazioni di frequenza diversa sono costituite da fotoni che possiedono energie diverse.
L’intensità, invece, esprime quanta energia viene trasportata dalla radiazione, nell’unità di tempo, attraverso una superficie unitaria perpendicolare alla direzione di propagazione. Nel Sistema Internazionale si misura in \(\text{W}/\text{m}^2\).
Una radiazione può quindi essere costituita da fotoni individualmente poco energetici e avere comunque un’intensità elevata se una grande quantità di energia raggiunge la superficie considerata nell’unità di tempo.
Viceversa, una radiazione formata da fotoni molto energetici può avere intensità relativamente bassa se l’energia complessivamente trasportata è piccola.
Possiamo quindi riassumere la distinzione fondamentale:
La frequenza determina l’energia del singolo fotone; l’intensità descrive il flusso complessivo di energia trasportato dalla radiazione.
Nel modello quantistico, a parità di frequenza, aumentare l’intensità significa in generale aumentare il numero di fotoni che trasportano energia attraverso una determinata superficie nell’unità di tempo, senza aumentare l’energia \(hf\) posseduta da ciascun fotone.
Perché la distinzione è importante
Questa distinzione è essenziale anche per comprendere gli effetti della radiazione sulla materia. Non è corretto affermare semplicemente che una radiazione sia tanto più pericolosa quanto maggiore è la sua frequenza.
La frequenza è determinante nei processi che richiedono una certa energia minima per singolo fotone, come la ionizzazione. Tuttavia, altri effetti dipendono in modo importante anche dall’intensità della radiazione, dalla durata dell’esposizione e dal modo in cui l’energia viene assorbita dalla materia.
Per questo motivo, conoscere la posizione di una radiazione nello spettro elettromagnetico è fondamentale, ma non è sufficiente, da sola, per stabilire l’entità degli effetti prodotti.
Frequenza e intensità descrivono aspetti diversi della radiazione. La frequenza determina l’energia del singolo fotone, E = hf; a parità di frequenza, una maggiore intensità corrisponde a una maggiore energia trasportata per unità di tempo e superficie.
Come la radiazione elettromagnetica interagisce con la materia
Quando una radiazione elettromagnetica incontra la materia, può produrre effetti diversi a seconda della sua frequenza, della sua intensità e delle proprietà del materiale attraversato.
Una parte della radiazione può essere riflessa, una parte può essere trasmessa attraverso il materiale e una parte può essere assorbita.
L’assorbimento è particolarmente importante perché comporta un trasferimento di energia dalla radiazione alla materia.
Gli effetti prodotti dipendono dal modo in cui questa energia viene trasferita.
In alcuni casi la radiazione può aumentare l’energia dei moti microscopici delle particelle del materiale, producendo un aumento della temperatura.
In altri casi può provocare transizioni tra diversi stati energetici di atomi o molecole. Per esempio, può mettere in gioco moti rotazionali o vibrazionali delle molecole oppure modificare lo stato energetico degli elettroni.
A frequenze sufficientemente elevate, l’energia di un singolo fotone può diventare abbastanza grande da rimuovere un elettrone da un atomo o da una molecola. In questo caso si verifica un processo di ionizzazione.
Non tutte le radiazioni interagiscono quindi con la materia nello stesso modo.
Le differenze dipendono sia dall’energia del singolo fotone, legata alla frequenza attraverso
\[
E=hf,
\]
sia dalla quantità complessiva di energia trasferita, che dipende anche dall’intensità e dalla durata dell’esposizione.
Il ruolo delle proprietà della materia
È inoltre importante ricordare che un materiale può essere molto trasparente a una determinata regione dello spettro e fortemente assorbente in un’altra. Il vetro, per esempio, lascia passare buona parte della luce visibile ma non si comporta allo stesso modo nei confronti di tutte le altre radiazioni elettromagnetiche.
Lo stesso vale per l’atmosfera terrestre, per i tessuti biologici e per molti materiali utilizzati nelle tecnologie di comunicazione, diagnostica e rilevamento.
Per questo motivo le diverse regioni dello spettro elettromagnetico trovano applicazioni molto diverse: non perché siano onde di natura differente, ma perché frequenza, energia del fotone e caratteristiche della materia determinano differenti modalità di interazione.
Questa idea costituisce la chiave per comprendere le principali regioni dello spettro che analizzeremo nelle sezioni successive.
Le regioni dello spettro elettromagnetico
Onde radio
Le onde radio occupano la regione dello spettro elettromagnetico caratterizzata dalle frequenze più basse e, di conseguenza, dalle lunghezze d’onda più grandi.
I limiti esatti di questa regione possono variare a seconda delle convenzioni adottate, ma in termini generali le onde radio comprendono radiazioni con frequenze che possono partire da valori molto bassi e arrivare fino alla regione delle microonde.
Poiché vale la relazione
\[
c=\lambda f,
\]
alle basse frequenze corrispondono lunghezze d’onda che possono essere molto grandi: da metri fino a chilometri e oltre.
L’energia del singolo fotone, descritta dalla relazione
\[
E=hf,
\]
è quindi molto piccola rispetto a quella delle regioni dello spettro a frequenza più elevata.
Le onde radio possono essere prodotte artificialmente facendo oscillare cariche elettriche in antenne e circuiti opportunamente progettati. In natura possono essere emesse anche da fenomeni atmosferici e da numerose sorgenti astronomiche.
Una delle caratteristiche più importanti delle onde radio è la loro capacità di propagarsi su grandi distanze. A seconda della frequenza, della geometria delle antenne e delle condizioni atmosferiche, possono propagarsi direttamente, propagarsi come onde di superficie seguendo la curvatura terrestre oppure essere influenzate dagli strati ionizzati dell’alta atmosfera.
Applicazioni delle onde radio
Le onde radio vengono utilizzate soprattutto per la trasmissione di informazioni. Segnali radio possono infatti essere modulati in modo da trasportare voce, musica, dati e immagini.
Tra le principali applicazioni troviamo: radiodiffusione, comunicazioni televisive, telecomunicazioni, collegamenti radio, navigazione e comunicazioni con satelliti e veicoli spaziali.
La stessa regione dello spettro è inoltre fondamentale per la radioastronomia, che permette di osservare sorgenti cosmiche non rilevabili attraverso la sola luce visibile.
Dal punto di vista dell’interazione con la materia, i fotoni delle onde radio possiedono energia troppo bassa per produrre direttamente ionizzazione. Ciò non significa però che una radiazione radio di elevata intensità non possa trasferire energia alla materia: gli effetti dipendono anche dall’intensità della radiazione, dalla durata dell’esposizione e dalle caratteristiche del materiale attraversato.
Le onde radio mostrano quindi bene una delle idee centrali dello spettro elettromagnetico: una stessa natura fisica può dare origine a fenomeni e applicazioni molto diversi semplicemente cambiando la frequenza della radiazione.
Microonde
Le microonde occupano la regione dello spettro elettromagnetico compresa, secondo le convenzioni più comuni, tra le onde radio a frequenza più bassa e la radiazione infrarossa.
Non esiste un confine fisico netto tra onde radio e microonde: in molti contesti le microonde vengono infatti considerate una parte della più ampia regione delle onde radio. La distinzione è soprattutto utile per descrivere intervalli di frequenza, tecnologie e modalità di interazione differenti.
Indicativamente, le microonde hanno frequenze comprese tra circa
\[
3\times10^8\ \text{Hz}
\]
e
\[
3\times10^{11}\ \text{Hz},
\]
corrispondenti a lunghezze d’onda comprese approssimativamente tra
\[
1\ \text{m}
\]
e
\[
1\ \text{mm}.
\]
Anche questi valori devono essere considerati indicativi, poiché le classificazioni utilizzate nei diversi ambiti possono sovrapporsi.
Le microonde possono essere generate artificialmente mediante dispositivi elettronici e circuiti ad alta frequenza. Vengono inoltre emesse da sorgenti naturali terrestri e astronomiche.
Grazie alle loro caratteristiche di propagazione e alla possibilità di concentrare la radiazione in fasci relativamente direzionali, le microonde sono particolarmente importanti nelle telecomunicazioni.
Sono utilizzate, per esempio, nelle comunicazioni satellitari, nei collegamenti radio ad alta frequenza, nelle reti wireless, nei sistemi di navigazione satellitare e nei radar.
Nel radar un segnale elettromagnetico viene emesso verso un oggetto e una parte della radiazione viene riflessa verso il sistema ricevente. Analizzando il segnale di ritorno è possibile ricavare informazioni sulla posizione e, in determinate condizioni, sul moto dell’oggetto.
Il riscaldamento nei forni a microonde
Un’altra applicazione molto nota è il forno a microonde.
Le microonde utilizzate nel forno interagiscono con il materiale alimentare e vengono assorbite soprattutto da molecole polari e da specie ioniche presenti negli alimenti. Il campo elettrico oscillante tende a far variare continuamente l’orientamento delle molecole polari e a mettere in movimento le cariche mobili.
A causa delle interazioni microscopiche all’interno del materiale, l’energia elettromagnetica assorbita viene trasformata in energia interna, provocando un aumento della temperatura.
Non è quindi corretto descrivere il funzionamento del forno semplicemente affermando che le microonde possiedono la “frequenza di risonanza dell’acqua”. Il riscaldamento è un fenomeno di assorbimento dielettrico che dipende dalla frequenza della radiazione e dalle proprietà del materiale.
I fotoni delle microonde possiedono un’energia molto piccola e non sono in grado di provocare direttamente ionizzazione. Radiazioni a microonde sufficientemente intense possono tuttavia trasferire quantità significative di energia alla materia e produrre effetti termici.
Anche in questo caso emerge quindi la distinzione fondamentale tra energia del singolo fotone e intensità complessiva della radiazione: la bassa energia dei fotoni non implica che una sorgente intensa non possa produrre effetti rilevanti sulla materia.
Radiazione infrarossa
La radiazione infrarossa, indicata spesso con la sigla IR, occupa la regione dello spettro compresa tra le microonde e la luce visibile.
Indicativamente, le sue lunghezze d’onda si estendono da circa
\[
750\ \text{nm}
\]
fino a circa
\[
1\ \text{mm},
\]
anche se i confini e le suddivisioni interne dell’infrarosso possono variare a seconda delle convenzioni utilizzate.
La radiazione infrarossa è strettamente collegata all’emissione termica dei corpi. Ogni corpo con temperatura superiore allo zero assoluto emette radiazione elettromagnetica, con una distribuzione di frequenze che dipende dalla sua temperatura.
Alle temperature tipiche degli oggetti che ci circondano, una parte molto importante di questa emissione si trova proprio nella regione infrarossa. Anche il corpo umano emette prevalentemente radiazione elettromagnetica nell’infrarosso.
Questo non significa, tuttavia, che infrarosso e calore siano sinonimi.
Il calore è una modalità di trasferimento di energia tra sistemi dovuta a una differenza di temperatura, mentre l’infrarosso è una determinata regione dello spettro elettromagnetico. Una radiazione infrarossa assorbita dalla materia può trasferirle energia e contribuire ad aumentarne la temperatura, ma anche radiazioni appartenenti ad altre regioni dello spettro possono produrre riscaldamento quando vengono assorbite.
Nell’interazione con la materia, molti fotoni infrarossi possono essere assorbiti attraverso processi legati soprattutto ai moti vibrazionali e rotazionali delle molecole. L’energia assorbita può successivamente essere redistribuita all’interno del materiale, contribuendo all’aumento della sua energia interna.
Rilevamento e applicazioni dell’infrarosso
Questa proprietà rende l’infrarosso particolarmente utile per rilevare la radiazione emessa dagli oggetti in funzione della loro temperatura.
Le termocamere, per esempio, misurano la radiazione infrarossa proveniente dalle superfici e permettono di costruire immagini nelle quali le differenze del segnale rilevato possono essere messe in relazione con differenze di temperatura.
L’infrarosso trova numerose altre applicazioni: viene utilizzato nei telecomandi, in alcuni sistemi di comunicazione e rilevamento, nei sensori di presenza, nella spettroscopia e nelle osservazioni astronomiche.
L’astronomia infrarossa è particolarmente importante perché permette di osservare oggetti relativamente freddi e regioni dello spazio che possono essere difficili da studiare nel visibile. Inoltre, alcune lunghezze d’onda infrarosse attraversano le nubi di polvere cosmica meglio della luce visibile, rendendo osservabili strutture altrimenti nascoste.
I fotoni infrarossi possiedono energia maggiore di quelli delle microonde ma ancora insufficiente per produrre direttamente ionizzazione.
Anche per l’infrarosso, quindi, gli effetti sulla materia dipendono non soltanto dall’energia del singolo fotone, ma dalla quantità complessiva di energia assorbita e dalle proprietà del materiale irradiato.
Luce visibile
La luce visibile è la piccola regione dello spettro elettromagnetico alla quale è sensibile l’occhio umano.
Indicativamente, il visibile comprende lunghezze d’onda comprese tra circa
\[
380\ \text{nm}
\]
e
\[
750\ \text{nm},
\]
anche se questi limiti non devono essere considerati rigidi: la sensibilità dell’occhio diminuisce gradualmente alle estremità dello spettro visibile e può variare da individuo a individuo e con le condizioni di osservazione.
Nonostante la sua enorme importanza per la nostra esperienza quotidiana, la luce visibile costituisce soltanto una piccolissima porzione dell’intero spettro elettromagnetico.
All’interno di questa regione, differenti intervalli di lunghezza d’onda producono differenti sensazioni di colore.
Procedendo dalle lunghezze d’onda maggiori verso quelle minori si incontrano, in modo approssimativo:
Poiché frequenza e lunghezza d’onda sono inversamente proporzionali, il rosso corrisponde alle frequenze più basse della regione visibile, mentre il violetto corrisponde alle frequenze più elevate.
Anche l’energia dei fotoni varia nello stesso senso. Dalla relazione
\[
E=hf
\]
segue infatti che un fotone violetto possiede energia maggiore di un fotone rosso.
Colore e interazione con la materia
Il colore percepito, tuttavia, non deve essere identificato semplicemente con una singola lunghezza d’onda in ogni situazione. Una radiazione quasi monocromatica può essere caratterizzata da un intervallo molto ristretto di lunghezze d’onda, mentre la luce proveniente da molte sorgenti reali è costituita dalla sovrapposizione di numerose componenti spettrali.
La luce solare, per esempio, contiene un ampio insieme di lunghezze d’onda visibili, oltre a radiazioni appartenenti ad altre regioni dello spettro.
Quando la luce incontra la materia può essere riflessa, trasmessa o assorbita in modo diverso a seconda della lunghezza d’onda. La selettività di queste interazioni è alla base di molti fenomeni legati alla percezione dei colori degli oggetti.
Il visibile è fondamentale anche dal punto di vista tecnologico. È utilizzato nei sistemi di illuminazione, nelle tecnologie ottiche, nella fotografia, nei display, nei microscopi, nei telescopi e in numerosi sistemi di trasmissione e rilevamento della radiazione.
La sua importanza non deriva quindi da una natura fisica diversa rispetto alle altre regioni dello spettro: il visibile è semplicemente la parte della radiazione elettromagnetica alla quale si è adattato il nostro sistema visivo.
Al di sotto delle lunghezze d’onda del violetto inizia la regione dell’ultravioletto, nella quale l’aumento della frequenza rende sempre più importante l’energia associata al singolo fotone.
Radiazione ultravioletta
La radiazione ultravioletta, indicata con la sigla UV, occupa la regione dello spettro elettromagnetico compresa tra la luce visibile e i raggi X.
Indicativamente, le sue lunghezze d’onda sono comprese tra circa
\[
10\ \text{nm}
\]
e
\[
400\ \text{nm}.
\]
Poiché possiede frequenze maggiori rispetto alla luce visibile, la radiazione ultravioletta è costituita da fotoni più energetici. Proprio l’aumento dell’energia del singolo fotone rende progressivamente possibili interazioni con la materia che non si verificano alle frequenze più basse.
La principale sorgente naturale di radiazione ultravioletta per la Terra è il Sole. Sorgenti artificiali di UV sono utilizzate in numerosi dispositivi e processi tecnologici, scientifici e sanitari.
La regione ultravioletta viene comunemente suddivisa in tre intervalli principali:
UVA, con lunghezze d’onda approssimativamente comprese tra \(315\) e \(400\ \text{nm}\);
UVB, tra circa \(280\) e \(315\ \text{nm}\);
UVC, tra circa \(100\) e \(280\ \text{nm}\).
Per lunghezze d’onda inferiori a circa \(100\ \text{nm}\) si utilizzano ulteriori denominazioni, come ultravioletto estremo e ultravioletto da vuoto; anche in questo caso i limiti dipendono dalle convenzioni adottate.
Ultravioletto, atmosfera ed effetti sulla materia
L’atmosfera terrestre modifica profondamente la quantità di radiazione ultravioletta solare che raggiunge la superficie. In particolare, l’ozono atmosferico assorbe efficacemente le radiazioni UV di lunghezza d’onda più corta: gli UVC solari vengono sostanzialmente assorbiti dall’atmosfera, mentre solo una parte degli UVB raggiunge il suolo; gli UVA costituiscono invece gran parte dell’ultravioletto solare che arriva alla superficie terrestre.
L’energia dei fotoni ultravioletti permette di produrre importanti processi fotochimici. L’assorbimento di UV può infatti modificare lo stato elettronico delle molecole e, in determinate condizioni, provocare la rottura o la formazione di legami chimici.
Questi processi spiegano sia alcuni effetti biologici sia numerose applicazioni della radiazione ultravioletta.
L’esposizione agli UV solari contribuisce, per esempio, alla produzione di vitamina D nell’organismo, ma può anche provocare effetti dannosi sui tessuti biologici. Un’esposizione eccessiva può produrre eritemi e danni molecolari e aumentare il rischio di alterazioni cellulari.
Le radiazioni UV di opportuna lunghezza d’onda vengono utilizzate anche per la disinfezione, poiché possono danneggiare il materiale genetico dei microrganismi e impedirne la corretta replicazione.
Altre applicazioni sfruttano la fluorescenza: alcune sostanze assorbono radiazione ultravioletta e successivamente emettono radiazione a frequenza minore, spesso nella regione visibile. Questo fenomeno viene utilizzato in analisi scientifiche, controlli di autenticità, diagnostica e sistemi di rilevamento.
Ultravioletto e ionizzazione
La regione ultravioletta è particolarmente importante anche per comprendere il passaggio tra radiazioni non ionizzanti e ionizzanti.
Non è corretto stabilire un unico confine universale affermando semplicemente che “l’ultravioletto è ionizzante” oppure che “l’ultravioletto non è ionizzante”. La ionizzazione richiede infatti che il singolo fotone possieda energia sufficiente a rimuovere un elettrone dalla particolare specie atomica o molecolare con cui interagisce.
Poiché
\[
E=hf,
\]
questa possibilità diventa progressivamente maggiore andando verso le frequenze più elevate e quindi verso le lunghezze d’onda più corte dell’ultravioletto.
L’ultravioletto rappresenta così una regione di transizione particolarmente significativa: mostra con chiarezza perché la distinzione tra radiazioni ionizzanti e non ionizzanti non debba essere imparata come una semplice divisione dello spettro in caselle, ma compresa attraverso l’energia dei fotoni e i processi fisici che essi possono provocare nella materia.
Raggi X
I raggi X occupano la regione dello spettro elettromagnetico compresa, in modo indicativo, tra l’ultravioletto e i raggi gamma.
Le loro lunghezze d’onda sono molto piccole, approssimativamente comprese tra
\[
10\ \text{nm}
\]
e
\[
0{,}01\ \text{nm},
\]
anche se, come per le altre regioni dello spettro, questi limiti non rappresentano confini fisici rigidi.
A lunghezze d’onda così piccole corrispondono frequenze molto elevate e, attraverso la relazione
\[
E=hf,
\]
energie per fotone molto maggiori rispetto a quelle delle radiazioni considerate nelle sezioni precedenti.
I raggi X sono quindi radiazioni ionizzanti: i loro fotoni possono possedere energia sufficiente a rimuovere elettroni da atomi e molecole e a produrre ioni.
Una modalità comune di produzione artificiale dei raggi X consiste nell’accelerare elettroni mediante una differenza di potenziale. Gli elettroni vengono quindi fatti incidere su un bersaglio metallico. La brusca decelerazione degli elettroni produce una radiazione elettromagnetica continua, detta radiazione di frenamento o bremsstrahlung.
L’interazione degli elettroni incidenti con gli atomi del bersaglio può inoltre produrre raggi X caratteristici, con energie legate alla struttura elettronica degli elementi presenti nel materiale.
Applicazioni dei raggi X
Una delle proprietà che ha reso i raggi X particolarmente importanti è il fatto che vengono attenuati dalla materia in misura diversa a seconda dell’energia della radiazione, dello spessore e della composizione del materiale attraversato.
Questa proprietà è alla base della radiografia.
Quando un fascio di raggi X attraversa il corpo umano,
i diversi tessuti attenuano la radiazione in modo differente. Le ossa, per esempio, attenuano generalmente i raggi X più dei tessuti molli; il rivelatore registra quindi differenti quantità di radiazione e permette di ottenere un’immagine delle strutture interne.
Lo stesso principio viene sfruttato, con tecniche più elaborate e ricostruzioni computerizzate, nella tomografia computerizzata.
I raggi X trovano inoltre applicazione nell’analisi dei materiali, nei controlli industriali e di sicurezza e nello studio della struttura della materia. La loro piccola lunghezza d’onda permette infatti di ottenere informazioni su strutture di dimensioni estremamente ridotte.
La capacità ionizzante dei raggi X richiede particolare attenzione nell’utilizzo. L’energia depositata nei tessuti può infatti provocare modificazioni molecolari e danni biologici. Gli effetti dipendono tuttavia non soltanto dall’energia del singolo fotone, ma anche dalla quantità di radiazione assorbita e dalle condizioni di esposizione.
Per questo, nelle applicazioni mediche e tecnologiche, l’impiego dei raggi X viene controllato in modo da limitare l’esposizione a quanto necessario.
Procedendo verso frequenze ancora più elevate si entra nella regione dei raggi gamma.
Il passaggio tra raggi X e gamma non deve però essere immaginato come un confine netto basato esclusivamente sulla frequenza: i rispettivi intervalli energetici possono sovrapporsi.
In molti contesti la distinzione viene effettuata soprattutto considerando la loro origine: i raggi X sono tipicamente associati a processi che coinvolgono elettroni, mentre i raggi gamma sono frequentemente prodotti da processi nucleari o da altri fenomeni di elevata energia.
Raggi gamma
I raggi gamma, indicati con la lettera greca \(\gamma\), occupano la regione dello spettro elettromagnetico associata alle frequenze più elevate e alle lunghezze d’onda più piccole.
Indicativamente, vengono spesso associate ai raggi gamma lunghezze d’onda inferiori a circa
\[
10^{-11}\ \text{m},
\]
ma non esiste un confine fisico universale che separi nettamente i raggi gamma dai raggi X.
In particolare, gli intervalli di frequenza e di energia delle due radiazioni possono sovrapporsi. Per questo motivo, in molti contesti, la distinzione viene effettuata soprattutto in base al processo che ha prodotto la radiazione. Non dipende quindi semplicemente dalla sua posizione su una scala di frequenze.
I raggi gamma sono frequentemente prodotti in processi nucleari. Un nucleo atomico che si trova in uno stato energetico eccitato può passare a uno stato di energia inferiore emettendo un fotone gamma.
Radiazioni gamma possono essere prodotte anche in altri processi di elevata energia, come l’annichilazione tra particelle e antiparticelle, e sono emesse da numerose sorgenti e fenomeni astrofisici.
Poiché vale la relazione
\[
E=hf,
\]
le elevate frequenze caratteristiche della regione gamma corrispondono generalmente a fotoni di energia molto elevata.
I raggi gamma sono quindi radiazioni ionizzanti e possono trasferire energia alla materia attraverso processi capaci di produrre ionizzazioni ed eccitazioni.
La loro elevata capacità di penetrazione richiede l’utilizzo di materiali e spessori adeguati quando si vuole attenuarne l’intensità. L’efficacia della schermatura dipende dall’energia della radiazione e dalle proprietà del materiale utilizzato.
Applicazioni dei raggi gamma
La capacità dei raggi gamma di interagire con la materia viene sfruttata in diverse applicazioni. In medicina, radiazioni di elevata energia possono essere utilizzate nella radioterapia per depositare energia nei tessuti tumorali e danneggiare le cellule bersaglio. Radionuclidi che emettono fotoni gamma vengono inoltre impiegati in alcune tecniche di diagnostica nucleare, nelle quali la radiazione emessa all’interno dell’organismo viene rilevata da strumenti esterni.
I raggi gamma trovano applicazione anche nella sterilizzazione di materiali e dispositivi e in diversi processi industriali di controllo e trattamento.
In astronomia, l’osservazione della radiazione gamma permette di studiare alcuni dei fenomeni più energetici dell’Universo, come esplosioni stellari, stelle di neutroni, regioni vicine a buchi neri e lampi gamma.
Proprio perché ionizzanti, i raggi gamma possono provocare danni biologici quando depositano energia nei tessuti. Anche in questo caso, tuttavia, non è sufficiente conoscere la sola frequenza della radiazione per quantificarne gli effetti: sono importanti anche la quantità di energia assorbita, la durata e le modalità dell’esposizione e le caratteristiche del materiale o del tessuto irradiato.
Con i raggi gamma termina convenzionalmente il nostro percorso attraverso le principali regioni dello spettro, ma non termina lo spettro elettromagnetico: non esiste un’ultima frequenza gamma che costituisca un limite superiore fondamentale.
Dalle onde radio ai raggi gamma abbiamo quindi attraversato un intervallo enorme di frequenze, lunghezze d’onda ed energie dei fotoni senza incontrare alcuna discontinuità nella natura della radiazione. Abbiamo percorso, dall’inizio alla fine, un unico spettro elettromagnetico continuo.
Radiazioni ionizzanti e non ionizzanti
Una delle classificazioni più importanti delle radiazioni elettromagnetiche distingue le radiazioni ionizzanti dalle radiazioni non ionizzanti.
Questa distinzione non dipende semplicemente dal nome della regione dello spettro alla quale appartiene la radiazione, ma dal tipo di interazione che i suoi fotoni possono produrre nella materia.
Un atomo o una molecola vengono ionizzati quando perdono uno o più elettroni e acquistano quindi una carica elettrica netta.
Per rimuovere un elettrone è necessario fornire una determinata quantità minima di energia, detta energia di ionizzazione.
Poiché l’energia di un fotone è
\[
E=hf,
\]
la possibilità che un singolo fotone provochi direttamente una ionizzazione dipende dalla sua frequenza.
Aumentando la frequenza aumenta infatti l’energia del fotone. Al di sopra di energie sufficientemente elevate, il fotone può trasferire a un elettrone l’energia necessaria per liberarlo dall’atomo o dalla molecola.
Le radiazioni non ionizzanti sono invece quelle i cui singoli fotoni non possiedono energia sufficiente per provocare direttamente questo processo nel materiale considerato. Possono tuttavia trasferire energia alla materia attraverso altri meccanismi, producendo per esempio moti molecolari, eccitazioni, reazioni fotochimiche o riscaldamento.
Non esiste quindi una frequenza universale che separi in modo assoluto qualsiasi radiazione ionizzante da qualsiasi radiazione non ionizzante.
Le energie necessarie per ionizzare atomi e molecole sono infatti diverse da una specie all’altra. Il passaggio deve essere interpretato come una regione di transizione, non come una linea perfettamente definita valida per ogni materiale.
Un esempio: quale energia serve per ionizzare?
Possiamo comunque comprendere l’ordine di grandezza attraverso un semplice esempio.
Supponiamo che per un determinato processo sia necessaria un’energia di circa
Un’energia dell’ordine di \(10\ \text{eV}\) corrisponde quindi a una lunghezza d’onda dell’ordine di un centinaio di nanometri, cioè alla regione dell’ultravioletto di lunghezza d’onda molto corta.
Il risultato aiuta a comprendere perché onde radio, microonde, infrarosso e visibile siano considerate radiazioni non ionizzanti, mentre raggi X e raggi gamma sono radiazioni ionizzanti. La regione ultravioletta richiede invece maggiore attenzione. Procedendo verso lunghezze d’onda sempre più corte, l’energia dei fotoni aumenta. Può così raggiungere valori capaci di produrre ionizzazione in determinati sistemi.
La capacità ionizzante dipende dall’energia del singolo fotone, \(E=hf\), confrontata con l’energia necessaria per ionizzare la materia con cui la radiazione interagisce.
Questa distinzione chiarisce anche perché non sia corretto classificare la pericolosità di una radiazione semplicemente osservando la sua posizione nello spettro.
La capacità di produrre ionizzazione è una proprietà fondamentale dell’interazione radiazione-materia, ma ionizzante e pericoloso non sono sinonimi, così come non ionizzante e innocuo non sono sinonimi.
Per valutare gli effetti reali di una radiazione occorre considerare anche quanta energia viene trasferita alla materia, per quanto tempo avviene l’esposizione e attraverso quali meccanismi avviene l’assorbimento.
“Non ionizzante” non significa “innocuo”
Definire una radiazione non ionizzante significa soltanto affermare che i suoi singoli fotoni non possiedono energia sufficiente per provocare direttamente la ionizzazione della materia considerata.
Non significa che quella radiazione sia necessariamente priva di effetti.
Una radiazione elettromagnetica può infatti trasferire energia alla materia anche senza ionizzarla. Se questa energia viene assorbita in quantità sufficientemente elevata, può produrre effetti importanti.
Un esempio evidente è il riscaldamento. Le microonde utilizzate in un forno non sono ionizzanti, ma possono trasferire rapidamente una quantità considerevole di energia agli alimenti. Anche una radiazione infrarossa sufficientemente intensa può provocare un forte riscaldamento del materiale che la assorbe.
La stessa luce visibile, pur essendo non ionizzante, può produrre danni se concentrata in fasci sufficientemente intensi. Un laser, per esempio, può depositare una grande quantità di energia su una superficie molto piccola e produrre effetti termici o danneggiare tessuti sensibili come quelli dell’occhio.
L’ultravioletto mostra inoltre che gli effetti della radiazione non si riducono alla sola ionizzazione. Fotoni UV possono innescare processi fotochimici e modificare molecole biologiche anche quando il processo considerato non consiste nella loro ionizzazione diretta.
Da cosa dipendono gli effetti della radiazione
Per valutare gli effetti di una radiazione elettromagnetica occorre quindi considerare contemporaneamente diversi fattori:
la frequenza della radiazione, che determina l’energia del singolo fotone;
l’intensità, che è legata alla quantità di energia trasportata attraverso una superficie nell’unità di tempo;
la durata dell’esposizione;
la quantità di energia effettivamente assorbita;
le caratteristiche del materiale o del tessuto e i meccanismi attraverso i quali avviene l’interazione.
Di conseguenza, non è scientificamente corretto costruire una semplice scala nella quale aumentando la frequenza una radiazione diventa automaticamente “più pericolosa”.
Ionizzante e non ionizzante descrivono il tipo di interazione che i fotoni possono produrre nella materia; non costituiscono, da soli, una misura completa della pericolosità di una radiazione.
La distinzione corretta richiede quindi di tenere separati due aspetti che abbiamo incontrato più volte nello studio dello spettro: l’energia del singolo fotone e l’energia complessivamente trasferita alla materia.
L’atmosfera e le finestre dello spettro
La radiazione elettromagnetica proveniente dallo spazio non raggiunge tutta la superficie terrestre con la stessa facilità.
L’atmosfera interagisce infatti in modo diverso con le varie regioni dello spettro: alcune lunghezze d’onda vengono trasmesse efficacemente, mentre altre vengono assorbite in misura considerevole dai gas atmosferici.
Gli intervalli nei quali l’atmosfera è relativamente trasparente vengono chiamati finestre atmosferiche.
Una delle più importanti è la finestra del visibile. Gran parte della luce visibile proveniente dal Sole attraversa l’atmosfera e raggiunge la superficie terrestre. Non è quindi casuale che il sistema visivo umano utilizzi proprio questa regione dello spettro, nella quale è disponibile una notevole quantità di radiazione solare al livello del suolo.
Esistono inoltre importanti finestre radio che permettono a determinate onde radio provenienti dallo spazio di raggiungere la superficie. Per questo molti radiotelescopi possono essere installati direttamente sulla Terra.
La situazione è differente in altre regioni dello spettro.
Una parte significativa della radiazione ultravioletta viene assorbita nell’atmosfera, in particolare per effetto dell’assorbimento da parte dell’ozono. Anche gran parte della radiazione infrarossa viene assorbita da molecole atmosferiche, soprattutto vapore acqueo e anidride carbonica, anche se esistono alcune finestre nelle quali l’atmosfera è relativamente trasparente.
I raggi X e i raggi gamma provenienti dallo spazio vengono invece quasi completamente assorbiti dagli strati superiori dell’atmosfera e non raggiungono direttamente il suolo.
Le conseguenze per l’osservazione astronomica
Questo assorbimento costituisce una protezione fondamentale per la vita terrestre, ma pone anche un problema agli astronomi: per osservare l’Universo nelle regioni dello spettro che non attraversano efficacemente l’atmosfera è necessario collocare i rivelatori ad alta quota oppure al di sopra dell’atmosfera, utilizzando satelliti e osservatori spaziali.
L’astronomia moderna non osserva quindi il cielo soltanto attraverso la luce visibile. Radiotelescopi, telescopi infrarossi, ultravioletti, a raggi X e gamma permettono di raccogliere informazioni differenti sullo stesso Universo.
Un oggetto astronomico può infatti emettere simultaneamente in numerose regioni dello spettro, e ciascuna di esse può rivelare differenti processi fisici.
Le finestre atmosferiche mostrano così un altro aspetto fondamentale dell’interazione tra radiazione e materia: l’atmosfera terrestre funziona come un filtro selettivo dello spettro elettromagnetico, trasmettendo alcune lunghezze d’onda e assorbendone fortemente altre.
L’atmosfera terrestre agisce come un filtro selettivo dello spettro elettromagnetico: il visibile e alcune regioni radio, delle microonde e dell’infrarosso attraversano efficacemente l’atmosfera, mentre gran parte dell’ultravioletto e quasi tutti i raggi X e gamma vengono assorbiti.
Un esempio quantitativo: dalla lunghezza d’onda all’energia del fotone
Consideriamo una radiazione elettromagnetica avente lunghezza d’onda nel vuoto
\[
\lambda=500\ \text{nm}.
\]
Vogliamo determinarne la frequenza, l’energia di un singolo fotone e la regione dello spettro alla quale appartiene.
Dalla lunghezza d’onda alla frequenza
Per prima cosa convertiamo la lunghezza d’onda in metri:
Un fotone della radiazione considerata possiede quindi un’energia di circa
\[
E\approx2{,}48\ \text{eV}.
\]
Una lunghezza d’onda di \(500\ \text{nm}\) appartiene alla regione della luce visibile, più precisamente alla zona che viene percepita approssimativamente come verde.
L’esempio permette di collegare direttamente le tre grandezze fondamentali utilizzate per descrivere lo spettro:
Se scegliessimo una lunghezza d’onda minore, otterremmo una frequenza maggiore. Di conseguenza, aumenterebbe anche l’energia di ciascun fotone.
Questo semplice calcolo mostra quantitativamente la relazione che attraversa tutto lo spettro elettromagnetico:
lunghezza d’onda decrescente → frequenza crescente → energia del fotone crescente.
Un solo elettromagnetismo
Lo studio dello spettro elettromagnetico conclude un percorso iniziato molto prima di incontrare onde radio, luce visibile o raggi gamma.
Siamo partiti dal campo magnetico e dalle forze esercitate sui conduttori percorsi da corrente, scoprendo il legame tra fenomeni elettrici e magnetici.
Con l’induzione elettromagnetica abbiamo visto che un campo magnetico variabile può produrre un campo elettrico.
Attraverso le equazioni di Maxwell abbiamo poi riconosciuto una simmetria più profonda. Anche un campo elettrico variabile è associato alla produzione di un campo magnetico.
Elettricità e magnetismo, inizialmente studiati come fenomeni distinti, sono così diventati aspetti di un’unica teoria: l’elettromagnetismo.
Da questa unificazione emerge una conseguenza straordinaria. Campi elettrici e magnetici variabili possono propagarsi nello spazio sotto forma di onde elettromagnetiche.
La velocità prevista dalla teoria di Maxwell coincide con la velocità della luce. La luce stessa si rivela quindi una manifestazione dell’elettromagnetismo.
Ma il visibile rappresenta soltanto una piccolissima parte di una realtà molto più vasta.
Variando la frequenza incontriamo onde radio, microonde, infrarosso, luce visibile, ultravioletto, raggi X e raggi gamma.
Le loro sorgenti, i loro effetti e le loro applicazioni possono essere profondamente diversi. La loro natura fisica fondamentale è però la stessa.
Lo spettro elettromagnetico rende quindi evidente una delle idee più potenti della fisica: fenomeni che appaiono diversi possono essere manifestazioni differenti di un’unica legge naturale.
Dalla descrizione classica alla descrizione quantistica
Con la relazione
\[
c=\lambda f
\]
abbiamo collegato frequenza e lunghezza d’onda nella descrizione classica dell’onda elettromagnetica.
Introducendo poi la relazione di Planck
\[
E=hf,
\]
abbiamo compiuto un primo passo verso la descrizione quantistica della radiazione, comprendendo che la frequenza determina anche l’energia associata al singolo fotone.
Questo ci ha permesso di interpretare in modo più profondo le differenti interazioni della radiazione con la materia e di comprendere il significato fisico della distinzione tra radiazioni ionizzanti e non ionizzanti.
L’intero percorso può quindi essere riassunto attraverso una successione concettuale:
correnti elettriche → campo magnetico → induzione elettromagnetica → campi elettrici e magnetici variabili → equazioni di Maxwell → onde elettromagnetiche → spettro elettromagnetico
Dietro una trasmissione radio, un collegamento satellitare, la radiazione infrarossa emessa da un corpo, i colori che vediamo, l’azione dell’ultravioletto, una radiografia o un fotone gamma proveniente dallo spazio troviamo dunque manifestazioni diverse della stessa grande famiglia fisica.
È questo il risultato che chiude il nostro percorso: elettricità, magnetismo e luce non costituiscono capitoli indipendenti della natura. Sono parti di un’unica grande teoria fisica: l’elettromagnetismo.
Spira rotante, f.e.m. sinusoidale e alternatore Una delle applicazioni più importanti dell’induzione elettromagnetica è la produzione di una forza elettromotrice…
