SPETTRO ELETTROMAGNETICO: CARATTERISTICHE, BANDE, APPLICAZIONI - FISICO - 2024

Lo spettro elettromagnetico consiste nella disposizione ordinata di tutte le lunghezze d'onda delle onde elettromagnetiche, che assumono un qualsiasi valore positivo, senza alcuna restrizione. È diviso in 7 sezioni, inclusa la luce visibile.

Conosciamo le frequenze della luce visibile quando vediamo l'arcobaleno, in cui ogni colore corrisponde a una diversa lunghezza d'onda: il rosso è il più lungo e il viola il più corto.

Spettro elettromagnetico. Notare che la frequenza (e con essa l'energia) aumenta da sinistra a destra in questo schema. André Oliva / Dominio pubblico

La gamma della luce visibile occupa solo un'area molto breve dello spettro. Le altre regioni, che non possiamo vedere, sono le onde radio, le microonde, gli infrarossi, gli ultravioletti, i raggi X ei raggi gamma.

Le regioni non sono state scoperte contemporaneamente, ma in tempi diversi. Ad esempio, l'esistenza delle onde radio fu predetta nel 1867 da James Clerk Maxwell e anni dopo, nel 1887, Heinrich Hertz le produsse per la prima volta nel suo laboratorio, motivo per cui sono chiamate onde hertziane.

Tutti sono in grado di interagire con la materia, ma in modi diversi, a seconda dell'energia che trasportano. D'altra parte, le diverse regioni dello spettro elettromagnetico non sono nettamente definite, perché in realtà i confini sono sfocati.

bande

Bande dello spettro elettromagnetico. Tatoute e Phrood / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

I confini tra le diverse regioni dello spettro elettromagnetico sono piuttosto sfocati. Queste non sono divisioni naturali, infatti lo spettro è un continuum.

Tuttavia, la separazione in bande o zone serve a caratterizzare opportunamente lo spettro in base alle sue proprietà. Inizieremo la nostra descrizione con le onde radio, le cui lunghezze d'onda sono più lunghe.

Onde radio

Le frequenze più basse hanno una gamma intorno ai 10 ⁴ Hz, che a loro volta corrispondono alle lunghezze d'onda più lunghe, tipicamente le dimensioni di un edificio. AM, FM e la radio della banda cittadina utilizzano le onde in questa gamma, così come le trasmissioni televisive VHF e UHF.

Per scopi di comunicazione, le onde radio furono utilizzate per la prima volta intorno al 1890, quando Guglielmo Marconi inventò la radio.

Poiché la frequenza delle onde radio è inferiore, non hanno effetti ionizzanti sulla materia. Ciò significa che le onde radio non hanno abbastanza energia per espellere gli elettroni dalle molecole, ma aumentano la temperatura degli oggetti aumentando la vibrazione delle molecole.

Forno a microonde

La lunghezza d'onda delle microonde è dell'ordine dei centimetri e sono state rilevate per la prima volta da Heinrich Hertz.

Hanno abbastanza energia per riscaldare il cibo, che in misura maggiore o minore contiene acqua. L'acqua è una molecola polare, il che significa che sebbene sia elettricamente neutra, le cariche negative e positive sono leggermente separate, formando un dipolo elettrico.

Quando le microonde, che sono campi elettromagnetici, colpiscono un dipolo, producono coppie che le fanno ruotare per allinearle al campo. Il movimento si traduce in energia che si diffonde attraverso il cibo e ha l'effetto di riscaldarlo.

infrarosso

Questa parte dello spettro elettromagnetico è stata scoperta da William Herschel all'inizio del XIX secolo e ha una frequenza inferiore rispetto alla luce visibile, ma superiore alle microonde.

La lunghezza d'onda dello spettro infrarosso (sotto il rosso) è paragonabile alla punta di un ago, quindi è una radiazione più energetica rispetto alle microonde.

Gran parte della radiazione solare arriva a queste frequenze. Qualsiasi oggetto emette una certa quantità di radiazioni infrarosse, soprattutto se calde, come fornelli da cucina e animali a sangue caldo. È invisibile alle persone, ma alcuni predatori distinguono l'emissione infrarossa dalla loro preda, dando loro un vantaggio nella caccia.

Visibile

È la parte dello spettro che possiamo rilevare con i nostri occhi, tra 400 e 700 nanometri (1 nanometro, nm abbreviato è 1 × 10 ^-9 m) di lunghezza d'onda.

La luce bianca contiene una miscela di tutte le lunghezze d'onda, che possiamo vedere separatamente quando passa attraverso un prisma. Le gocce di pioggia nelle nuvole a volte si comportano come prismi, quindi possiamo vedere i colori dell'arcobaleno.

I colori dell'arcobaleno rappresentano diverse lunghezze d'onda della luce visibile. Fonte: Pixabay.

Le lunghezze d'onda dei colori che vediamo, in nanometri, sono:

-Rosso: 700–620

-Orange: 620–600

-Giallo: 600–580

-Verde: 580–490

-Blu: 490–450

-Viola: 450–400

ultravioletto

È una regione più energetica della luce visibile, con lunghezze d'onda oltre il viola, cioè maggiori di 450 nm.

Non possiamo vederlo, ma la radiazione che proviene dal Sole è molto abbondante. E poiché ha un'energia superiore alla parte visibile, questa radiazione interagisce molto di più con la materia, causando danni a molte molecole di importanza biologica.

I raggi ultravioletti furono scoperti poco dopo i raggi infrarossi, anche se all'inizio furono chiamati "raggi chimici" perché reagiscono con sostanze come il cloruro d'argento.

Raggi X

Furono scoperti da Wilhelm Roentgen nel 1895 mentre faceva esperimenti con elettroni in accelerazione (raggi catodici) diretti verso un bersaglio. Incapace di spiegare da dove provenissero, li ha chiamati raggi X.

È una radiazione altamente energetica con una lunghezza d'onda paragonabile alla dimensione dell'atomo, in grado di attraversare corpi opachi e produrre immagini come nei raggi X.

Le radiografie sono ottenute utilizzando i raggi X: Fonte: Pixabay.

Poiché hanno più energia, possono interagire con la materia estraendo elettroni dalle molecole, quindi sono conosciuti con il nome di radiazioni ionizzanti.

Raggi gamma

Questa è la radiazione più energetica di tutte, con lunghezze d'onda dell'ordine di un nucleo atomico. Si verifica frequentemente in natura, poiché viene emesso da elementi radioattivi mentre decadono in nuclei più stabili.

Nell'universo ci sono sorgenti di raggi gamma nelle esplosioni di supernova, così come oggetti misteriosi tra cui pulsar, buchi neri e stelle di neutroni.

L'atmosfera terrestre protegge il pianeta da queste radiazioni altamente ionizzanti che provengono dall'universo e, a causa della loro alta energia, hanno un effetto dannoso sul tessuto biologico.

applicazioni

-Le onde radio o le radiofrequenze sono utilizzate nelle telecomunicazioni, perché sono in grado di trasportare informazioni. Anche a scopo terapeutico per riscaldare i tessuti e migliorare la grana della pelle.

-Per ottenere immagini di risonanza magnetica, sono necessarie anche le radiofrequenze. In astronomia, i radiotelescopi li usano per studiare la struttura degli oggetti celesti.

-I telefoni cellulari e la televisione satellitare sono due applicazioni delle microonde. Il radar è un'altra importante applicazione. Inoltre, l'intero universo è immerso in un fondo di radiazione a microonde, originato dal Big Bang, essendo la rivelazione di detta radiazione di fondo la migliore prova a favore di questa teoria.

Il radar emette un impulso verso un oggetto, che disperde l'energia in tutte le direzioni, ma una parte viene riflessa, portando le informazioni sulla posizione dell'oggetto. Fonte: Wikimedia Commons.

-La luce visibile è necessaria in quanto ci permette di interagire efficacemente con il nostro ambiente.

-I raggi X hanno molteplici applicazioni come strumento diagnostico in medicina e anche a livello di scienza dei materiali, per determinare le caratteristiche di molte sostanze.

-Le radiazioni gamma provenienti da diverse fonti vengono utilizzate come trattamento per il cancro e per sterilizzare il cibo.

Riferimenti

1. Giambattista, A. 2010. Fisica. Seconda edizione. McGraw Hill.
2. Giancoli, D. 2006. Fisica: principi con applicazioni. 6 °. Ed Prentice Hall.
3. Rex, A. 2011. Fondamenti di fisica. Pearson.
4. Serway, R. 2019. Physics for Science and Engineering. 10 °. Edizione. Volume 2. Cengage.
5. Shipman, J. 2009. Un'introduzione alla scienza fisica. Dodicesima edizione. Brooks / Cole, edizioni Cengage.