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Spettro elettromagnetico

Che cos'è lo spettro elettromagnetico?

In fisica il termine spettro è usato genericamente per indicare un diagramma che dà la distribuzione di una grandezza, di solito un'intensità in funzione di un'altra grandezza, di solito un'energia.

Più comunemente, per spettro s'intende la distribuzione dell'intensità di una radiazione (corpuscolare, elettromagnetica o acustica) in funzione dell'energia, della frequenza o di qualche altra grandezza ad esse collegata.

Gli spettri per antonomasia sono però quelli delle radiazioni elettromagnetiche: in tali casi si parla di spettri elettromagnetici; in questi spettri l'energia raggiante è solitamente in funzione della lunghezza d'onda, della frequenza o dell'energia della radiazione elettromagnetica.

Ma che cos'è lo spettro elettromagnetico?

Lo spettro elettromagnetico (spesso abbreviato in "spettro EM") è l'insieme di tutte le possibili frequenze della radiazione elettromagnetica.

L'intervallo delle frequenze dell'intero spettro elettromagnetico viene infatti suddiviso in ampie zone: raggi γ, raggi X, ultravioletto, visibile, infrarosso, microonde e onde radio.

spettro elettromagnetico

Spettro elettromagnetico.

Il visibile comprende tutte quelle radiazioni percepibili dall'occhio umano che complessivamente, compongono la luce. La luce quindi non è altro che una piccola porzione di frequenze dello spettro elettromagnetico a cui i nostri organi della vista sono sensibili.

Le radiazioni aventi lunghezza d'onda minore (e quindi frequenza maggiore) sono quelle catalogate come: ultravioletto (UV), raggi X, raggi γ; le radiazioni aventi lunghezza d'onda maggiore (e quindi frequenza minore) sono quelle catalogate come: infrarossi, microonde e onde radio.

Frequenza, lunghezza d'onda ed energia delle radiazioni elettromagnetiche

Lunghezza d'onda, frequenza e velocità di propagazione di una radiazione elettromagnetica sono legate tra loro dalla seguente relazione matematica:

Formula della velocità di un'onda elettromagnetica

in cui:

  • c = è la velocità di propagazione di una radiazione nel vuoto (per info: velocità della luce nel vuoto), c = 3 · 108 m/s ovvero c = 300.000 Km/s. Se la radiazione si propaga in un mezzo trasparente diverso dal vuoto (vetro, aria, ecc.) la sua velocità diminuisce;
  • λ = è la lunghezza d'onda ovvero la distanza fra due punti massimi (creste) o due minimi (avvallamenti) di un'onda elettromagnetica;
  • ν = è la frequenza ovvero il numero di oscillazioni della radiazione in un secondo.

Siccome il valore di c è una costante, risulta che λ e ν sono tra loro inversamente proporzionali. Radiazioni come i raggi γ, aventi elevate frequenze, avranno bassi valori di lunghezza d'onda. Viceversa, radiazioni come le onde radio, aventi basse frequenze, avranno alti valori di lunghezza d'onda.

Infine, siccome l'energia trasportata da una radiazione elettromagnetica è data dalla formula:

E = h · ν

risulta che radiazioni ad elevata frequenza (come i succitati raggi γ) saranno altamente energetici.

Radiazioni che compongono lo spettro elettromagnetico

Come detto in precedenza lo spettro elettromagnetico è suddiviso in ampie zone: raggi γ, raggi X, raggi UV, visibile, raggi IR, microonde e onde radio.

Analizziamo brevemente le caratteristiche delle radiazioni appartenenti a ciascuna zona dello spettro elettromagnetico:

1) raggi γ

Sono le radiazioni a maggiore frequenza, e quindi a minore lunghezza d'onda, dello spettro elettromagnetico; hanno lunghezze d'onda comprese tra 10-10 e 10-14 m.

Sono le radiazioni elettromagnetiche prodotte dal decadimento radioattivo dei nuclei atomici.

2) raggi X

I raggi X (o raggi Röntgen, dal nome del loro scopritore) sono radiazioni elettromagnetiche caratterizzate da lunghezze d'onda comprese tra 10-9 e 10-11 m.

Trovano importanti impieghi nell'analisi cristallografica e in radiografia medica.

3) raggi UV

I raggi UV sono radiazioni elettromagnetiche caratterizzate da lunghezze d'onda comprese tra 10 e 380 nm.

La gamma spettrale delle radiazioni UV viene a sua volta suddivisa in due regioni principali:

  • UV lontano, che comprende radiazioni elettromagnetiche con lunghezze d'onda comprese tra 10 e 200 nm;
  • UV vicino, che comprende radiazioni elettromagnetiche con lunghezze d'onda comprese tra 200 e 380 nm.

A sua volta la CIE (Commission Internationale de l'Eclairage) ha suddiviso la gamma spettrale delle radiazioni UV in tre regioni: UV-A, UV-B e UV-C. Tale classificazione si basa sull'effetto di tali raggi sull'organismo umano.

4) visibile

Le radiazioni del visibile sono quelle radiazioni dello spettro elettromagnetico che cadono tra il rosso e il violetto e che comprendono tutti i colori percepibili dall'occhio umano che, complessivamente, compongono la luce.

Le onde elettromagnetiche dello spettro del visibile hanno valori di lunghezza d'onda compresi tra 390 nm e 760 nm (1 nm = 1 nanometro = 10-9 m) e comprendono tutti i colori che sono percepiti dall'occhio umano. Di seguito elenchiamo gli 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

Pettro del visibile

Spettro del visibile.

5) raggi IR

I raggi IR, noti anche come radiazioni infrarosse o raggi infrarossi, sono radiazioni elettromagnetiche caratterizzate da lunghezze d'onda comprese tra 0,78 µm e 1000 µm (1 µm = micrometro = 10-6 m).

Questa ampia gamma spettrale viene a sua volta suddivisa in tre regioni:

  • IR vicino (o NIR, Near InfraRed) con lunghezze d'onda comprese tra 0,78 e 2,5 µm;
  • IR medio (o MIR, Mid InfraRed) con lunghezze d'onda comprese tra 2,5 e 50 µm;
  • IR lontano (o FIR, Far InfraRed) con lunghezze d'onda comprese tra 50 e 2,5 µm.

I raggi IR sono i raggi impiegati negli apparecchi di visione notturna e come mezzo di trasmissione dati nei telecomandi per televisione, tra computer e tra smartphone.

6) microonde

Le microonde sono onde elettromagnetiche comprese nelle lunghezze d'onda tra 33 cm e 1 mm (1 mm = 1000 µm).

L'impiego delle microonde avviene in particolare nelle comunicazioni soprattutto per la grande disponibilità di frequenze che presenta questo campo; tali radiazioni trovano impiego anche nei forni a microonde.

7) onde radio

Le onde radio sono radiazioni elettromagnetiche caratterizzate da lunghezze d'onda superiori a 1 mm (e - teoricamente - sino all'infinito).

Le onde radio vengono ampiamente utilizzate nelle radiocomunicazioni.

Nella seguente immagini vengono riassunte altre importanti caratteristiche delle radiazioni costituenti lo spettro elettromagnetico:

spettro elettromagnetico

Spettro elettromagnetico.

Riassumendo

Un campo elettromagnetico è una perturbazione dello spazio determinata dalla continua generazione reciproca tra un campo elettrico e un campo magnetico.

Un campo elettromagnetico è generato da cariche sottoposte ad accelerazione quindi ad esempio cariche che vengono fatte oscillare, che si muovono su traiettorie circolari oppure cariche che vengono bruscamente frenate.

Il campo elettromagnetico si propaga sotto forma di onda detta appunto onda elettromagnetica che si propaga anche nel vuoto alla velocità della luce c = 3∙108 m/s con una lunghezza d'onda λ (distanza tra due massimi) ed una frequenza f (numero di oscillazioni complete effettuate in 1 s) legate tra di loro dalla relazione

c = λ ∙ f

Poiché la velocità dell'onda in un certo mezzo o nel vuoto rimane costante allora lunghezza d'onda e frequenza sono grandezze inversamente proporzionali: ci aspettiamo dunque di trovare onde con una piccolissima lunghezza d'onda ma frequenza molto elevata o al contrario onde con lunghezza d'onda molto elevata ma frequenza molto ridotta.

Le frequenze che possono assumere le onde elettromagnetiche possono coprire un vastissimo intervallo di valori di ben 25 ordini di grandezza ed è definito come spettro elettromagnetico.

Per semplificare i riferimenti e la terminologia l'intero spettro è stato suddiviso in regioni che assumono denominazioni diverse in base alla frequenza ed alla lunghezza d'onda.

L'energia di un'onda elettromagnetica è proporzionale alla sua frequenza secondo la relazione di Planck che associa ad una singola particella di luce, il fotone, la sua propria energia:

E = h ∙ f

con h costante di Planck 6,62 ∙ 10-34 J∙s.

Esercizi sulle onde elettromagnetiche

Se ti interessano li trovi qui: esercizi sulle onde elettromagnetiche.

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