Onde elettromagnetiche (radiazioni elettromagnetiche)
Le onde elettromagnetiche e la natura ondulatoria della luce
Intorno alla metà del XIX secolo, il fisico scozzese J.C. Maxwell studiando i fenomeni elettrici e magnetici, scoprì che una carica elettrica oscillante produce un campo elettrico e un campo magnetico tra loro perpendicolari, che si propagano in forma di onde; alla propagazione delle onde è associato il trasporto di energia elettromagnetica o radiante.
Egli da ulteriori studi concluse che: la luce è costituita da onde elettromagnetiche (o radiazioni elettromagnetiche) formate dalla simultanea propagazione di un campo magnetico (B) e di un campo elettrico (E) tra loro perpendicolari.
Nella propagazione dell'onda elettromagnetica il campo elettrico e il campo magnetico sono entrambi sinusoidali e tra loro perpendicolari.
Essendo quindi la luce un fenomeno ondulatorio, cioè un fenomeno che si riproduce identico a se stesso un gran numero di volte e vista la maggiore importanza che ha il campo elettrico rispetto al campo magnetico nelle interazioni con la materia, si preferisce rappresentare l'onda con il solo campo elettrico oscillante:
Campo elettrico oscillante di un'onda elettromagnetica.
Ogni onda elettromagnetica può essere studiata secondo due punti di vista diversi:
1) il punto di vista spaziale fissa il tempo e studia come varia l'onda nello spazio; è come fare un'"istantanea" dell'onda;
2) il punto di vista temporale fissa lo spazio (cioè un punto) ed esamina come varia l'ampiezza dell'onda al variare del tempo in quel punto. È come se l'osservatore si mettesse in un punto preciso dello spazio investito dalla radiazione che si propaga ed osservasse le variazioni del campo elettrico al trascorrere del tempo.
Grandezze caratteristiche delle onde elettromagnetiche
Dell'onda elettromagnetica possiamo definire alcuni parametri caratteristici:
1) La lunghezza d'onda λ (lambda) rappresenta la distanza tra i punti corrispondenti di due onde successive (per esempio la distanza tra due creste successive), o più in generale, la distanza tra due punti successivi in fase fra loro nel profilo spaziale.
La sua unità di misura è il metro, o uno dei suoi sottomultipli quali ad esempio il centimetro (1 cm = 0,1 m) , il micrometro (1 µm = 10-6 m), il nanometro (1 nm = 10-9 m) o il picometro (1 pm = 10-12 m); per ulteriori info: unità di misura della lunghezza d'onda.
La lunghezza d'onda di un'onda elettromagnetica varia al variare del materiale trasparente attraversato (vuoto, aria, vetro, diamante, ecc.). Detto λ0 la lunghezza d'onda nel vuoto, la lunghezza d'onda in un mezzo trasparente con indice di rifrazione n è pari a:
2) L'ampiezza d'onda A è la distanza del massimo della cresta dall'asse di propagazione dell'onda. La sua unità di misura è il volt su metro, V/m.
3) La frequenza ν (ni) è il numero delle oscillazioni dell'onda in un secondo. La frequenza di un'onda elettromagnetica rimane la stessa al variare del materiale trasparente attraversato (vuoto, aria, vetro, diamante, ecc.). La sua unità di misura è l'hertz (Hz); l'hertz è l'inverso del secondo Hz = 1/s
4) La velocità di propagazione c, che assume valori diversi a seconda del mezzo in cui essa si propaga.
Nel caso di un'onda elettromagnetica che si propaga nel vuoto (velocità della luce nel vuoto), c = 3 · 108 m/s ovvero c = 300.000 Km/s (per l'equivalenza si veda: da m/s a km/s). Se la luce si propaga in un mezzo trasparente diverso dal vuoto (vetro, aria, ecc.) la sua velocità diminuisce.
Lunghezza d'onda, frequenza e velocità di propagazione sono legate tra loro dalla seguente relazione matematica:
Le cui formule inverse sono le seguenti:
e
Classificazione delle onde elettromagnetiche
Le onde elettromagnetiche sono state classificate in base ai valori di lunghezza d'onda (o, il che è lo stesso, in base ai valori di frequenza); esse, nel loro complesso, costituiscono lo spettro elettromagnetico.
Le onde elettromagnetiche che l'occhio umano percepisce sono solo una piccolissima parte dello spettro elettromagnetico: costituiscono lo spettro del visibile. Tali onde elettromagnetiche hanno valori di lunghezza d'onda compresi tra 390 nm e 760 nm (1 nm = 1 nanometro = 10-9 m = un milionesimo di millimetro).
Le onde elettromagnetiche aventi lunghezza d'onda maggiore (e quindi frequenza minore) sono quelle catalogate come: infrarossi, microonde e onde radio.
Le onde elettromagnetiche aventi lunghezza d'onda minore (e quindi frequenza maggiore) sono quelle catalogate come: ultravioletto (UV), raggi X, raggi gamma.
Spettro elettromagnetico.
Classificazione delle onde elettromagnetiche in base alla lunghezza d'onda
Di seguito classifichiamo le onde elettromagnetiche in base al valore della lunghezza d'onda:
Onde radio: λ = 10 km - 10 cm
Microonde λ = 10 cm – 1 mm
Infrarossi: λ = 1 mm - 760 nm
Campo del visibile: λ = 760 mm - 390 nm
Ultravioletto: λ = 390 nm - 10 nm
Raggi: λ = 10 nm - 1 pm
Raggi gamma: λ ≤1 pm
Per quanto riguarda il campo del visibile, di seguito elenchiamo degli intervalli di lunghezza d'onda approssimativi per ciascun colore:
Violetto: λ = 390 - 450 nm
Indaco: λ = 450 - 475 nm
Blu: λ = 476 - 495 nm
Verde: λ = 495 - 570 nm
Giallo: λ = 570 - 590 nm
Arancione: λ = 590 - 620 nm
Rosso: λ = 620 - 760 nm
Spettro del visibile.
Interazioni di onde elettromagnetiche con atomi e molecole
Nel fenomeno dell'assorbimento, atomi e molecole assorbono le radiazioni elettromagnetiche di frequenza opportuna, subendo una serie di fenomeni che vengono di seguito descritti:
1) le onde radio interagiscono con lo spin di alcuni nuclei atomici;
2) le microonde inducono rotazioni nelle molecole;
3) i raggi IR amplificano le naturali vibrazioni della molecola;
4) i raggi UV e quelli del visibile eccitano gli elettroni di valenza;
5) i raggi X riescono ad espellere gli elettroni più vicini al nucleo.
Esercizio
Un'onda elettromagnetica ha una lunghezza d'onda di 600 nm. Si determini la sua frequenza.
Svolgimento
L'esercizio propone il calcolo della frequenza di un'onda elettromagnetica avente lunghezza d'onda di 600 nm.
Convertiamo i nanometri in metri:
600 nm = 600 · 10-9 m = 6 · 10-7 m
La relazione che lega la lunghezza d'onda alla frequenza è la seguente:
Dalla quale ricaviamo la formula per il calcolo della frequenza:
Ricordando che c = 3 · 108 m/s si ha che:
v = c / λ = (3 · 108) / (6 · 10-7) = 5 · 1015 Hz
Quiz sulle onde elettromagnetiche
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