È grazie alla luce che possiamo vedere tutto ciò che ci circonda. Forse avete sentito dire che la luce è un'onda elettromagnetica, ma sapevate che i segnali Bluetooth e Wi-Fi, i raggi X e le radiazioni gamma sono anch'essi onde elettromagnetiche? Tuttavia, l'occhio umano può vedere solo una gamma molto ridotta di tutti i diversi tipi di onde che formano lo spettro elettromagnetico. Questo significa che ci sono altri colori che non possiamo vedere? Possiamo utilizzare altre onde elettromagnetiche per vedere cose che sono invisibili per noi? Sono domande affascinanti, alle quali possiamo rispondere comprendendo lo spettro elettromagnetico. Continuate a leggere per scoprirlo!
Spettro delle onde elettromagnetiche
L'insieme di tutte le possibili frequenze delle onde elettromagnetiche viene chiamato spettro elettromagnetico.
Ci sono diversi tipi di onde elettromagnetiche.
Oltre alla luce visibile, le onde radio, le microonde, gli infrarossi, gli ultravioletti, i raggi X e i raggi gamma sono esempi di onde elettromagnetiche.
I loro usi e applicazioni possono essere molto diversi, ma tutte le onde elettromagnetiche hanno proprietà in comune:
- Le onde elettromagnetiche sono onde trasversali. Le vibrazioni che creano le onde elettromagnetiche sono sempre perpendicolari alla direzione di propagazione delle onde.
- Le onde elettromagnetiche possono propagarsi nello spazio vuoto.
In un'onda elettromagnetica, due grandezze fisiche vibrano rispetto a una posizione di equilibrio. Si tratta dei campi elettrici e magnetici. La vibrazione del campo magnetico genera una vibrazione del campo elettrico. Allo stesso tempo, la vibrazione del campo elettrico genera una vibrazione del campo magnetico. Pertanto, un'onda causa l'altra e insieme formano l'onda elettromagnetica. Le onde elettromagnetiche non hanno bisogno di un mezzo per propagarsi, poiché i campi elettrici e magnetici possono esistere nel vuoto.
Fig. 1 - Onda elettromagnetica linearmente polarizzata che si porpaga nella direzione x.
Le onde elettromagnetiche trasferiscono energia dalla sorgente al recettore. Questa modalità di trasferimento di energia è chiamata anche "radiazione elettromagnetica".
Tutte le onde elettromagnetiche viaggiano alla stessa velocità: la velocità della luce. Questa è pari a circa \(3 \cdot 10^8 \: ms^{-1}\) nel vuoto.
Tabella dello spettro elettromagnetico
Possiamo classificare i diversi tipi di onde elettromagnetiche che formano lo spettro in base alla loro lunghezza d'onda. Ma prima di farlo, rivediamo alcuni dei termini che utilizziamo per descrivere le onde.
Come è possibile vedere nella figura sottostante, l'ampiezza di un'onda è data dalla distanza tra un picco (o un avvallamento) dell'onda e il valore di equilibrio.
La lunghezza d'onda è la distanza tra due picchi (o due minimi) consecutivi.
Fig. 2 - L'ampiezza di un'onda può essere misurata come la distanza tra la posizione di equilibrio e un picco (o un avvallamento). Inoltre, possiamo trovare la lunghezza d'onda misurando la distanza tra due picchi o due avvallamenti consecutivi.
Ora che abbiamo una buona idea di cosa si intende per lunghezza d'onda, vediamo come classificare le onde elettromagnetiche in base a specifici intervalli di lunghezza d'onda!
Tipo di radiazione | Range di lunghezze d'onda [\(m\)] |
Raggi gamma | |
Raggi X | |
Ultravioletto | |
Visibile | |
Vicino infrarosso | |
Infrarosso | |
Microonde | |
Onde radio | |
Nota bene: questi intervalli non sono netti: ci può essere una piccola sovrapposizione tra i diversi tipi di onde elettromagnetiche. Ad esempio, un raggio X a lunghezza d'onda molto corta può essere considerato anche un raggio gamma a lunghezza d'onda lunga.
Un altro modo comune per classificare i tipi di onde nello spettro elettromagnetico è la frequenza delle onde. La frequenza di un'onda è una proprietà strettamente correlata al periodo dell'onda. Esaminiamo prima quest'ultima proprietà.
Il periodo \(T\) di un'onda è il tempo necessario perché si verifichino due picchi o due avvallamenti consecutivi.
Fig. 3 - Il periodo di un'onda è il tempo necessario affinché si verifichino due picchi o due avvallamenti consecutivi.
La durata di un periodo si misura in secondi (\(s\)). Ora siamo pronti a capire cos'è la frequenza.
La frequenza è il numero di cicli d'onda che passano per un punto nell'unità di tempo. Può anche essere definita come l'inverso del periodo.
Per calcolare la frequenza \(f\), possiamo utilizzare la seguente formula.
\[ f = \frac{1}{T}\]
La frequenza si misura in hertz (\(Hz\)).
Nel SI, la frequenza si musra in hertz:
\[ \ Hz = \frac{1}{s}\]
Se l'unità di misura della frequenza è l'inverso dell'unità di misura del tempo, si capisce che una frequenza di \(1 \: Hz\) corrisponde a un ciclo dell'onda ogni secondo. Allo stesso modo, un moto ondulatorio con una frequenza di \(3 \: Hz\) indica che ogni secondo si ripetono 3 cicli. Questo è illustrato nell'immagine seguente.
Fig. 4 - Un'onda con una frequenza di \(3 \: Hz\) compie tre cicli al secondo. Mentre un'onda con una frequenza di \(1 \: Hz\) compie solo un ciclo al secondo.
Ora siamo pronti per vedere la classificazione dei diversi tipi di onde che formano lo spettro elettromagnetico in termini di lunghezza d'onda e frequenza.
Tipo di radiazione | Range di frequenza (\(Hz\)) | Range di lunghezze d'onda [\(m\)] |
Raggi gamma | | |
Raggi X | | |
Ultravioletto | | |
Visibile | | |
Vicino infrarosso | | |
Infrarosso | | |
Microonde | | |
Onde radio | | |
Abbiamo definito intervalli di frequenze e lunghezze d'onda per indicare il tipo di onda elettromagnetica; questi intervalli sono chiamati anche "bande di frequenza". Se queste due classificazioni sono equivalenti, c'è un modo per mettere in relazione queste due proprietà? La risposta è sì! Una volta conosciuta la frequenza di un'onda elettromagnetica, possiamo determinare la sua lunghezza d'onda e viceversa.
Relazione tra frequenza e lunghezza d'onda
Possiamo calcolare la velocità di un'onda usando la seguente formula:
\[ v = f \lambda\]
dove \(v\) rappresenta la velocità in \(ms^{-1}\), \(f\) rappresenta la frequenza in \(Hz\) e \( \lambda\) rappresenta la lunghezza d'onda in \(m\).
Ti consigliamo di dare un'occhiata al nostro articolo sulle onde elettromagnetiche!
Tutte le onde obbediscono all'equazione che abbiamo scritto, comprese le onde elettromagnetiche. Poiché le onde elettromagnetiche si propagano alla velocità della luce, possiamo scrivere la seguente equazione per le onde elettromagnetiche:
\[ c = f \lambda\]
dove \(c\) è la velocità della luce.
Invertendo la formula, troviamo che lunghezza d'onda e frequenza sono inversamente proporzionali:
\[ \lambda = \frac{c}{f} \]
Diagramma dello spettro elettromagnetico
Ora che conosciamo i termini utilizzati per descrivere le onde elettromagnetiche, possiamo presentare un diagramma dello spettro elettromagnetico classificato in termini di frequenze e lunghezze d'onda. La figura seguente mostra alcuni oggetti di uso quotidiano dello stesso ordine di grandezza delle onde corrispondenti. È importante notare quanto sia piccola la parte dello spettro che possiamo vedere!
Fig. 5 - Un diagramma dei diversi tipi di radiazione elettromagnetica ordinati per frequenza crescente (in \(Hz\)).
Puoi notare come la frequenza aumenti al diminuire della lunghezza d'onda.
Come si può vedere dall'immagine, lo spettro elettromagnetico non presenta interruzioni o vuoti apparenti in tutta la sua gamma di lunghezze d'onda (o frequenze). Per questo motivo, si dice che lo spettro elettromagnetico è continuo.
Nella figura precedente puoi inoltre vedere che solo alcuni tipi di onde elettromagnetiche sono classificate come radiazioni ionizzanti. Che cosa significa?
Radiazioni ionizzanti
Uno ione è un atomo o una molecola che ha perso o guadagnato elettroni, con una carica elettrica netta.
Ricordiamo che le onde elettromagnetiche trasportano energia dalla sorgente al ricevitore. Le onde elettromagnetiche classificate come radiazioni ionizzanti trasportano una quantità tale di energia che, quando interagisce con atomi e molecole, può sottrarre loro gli elettroni, convertendo l'atomo o la molecola in uno ione. Queste radiazioni possono essere molto pericolose, ma possono avere molte applicazioni pratiche se utilizzate correttamente.
Guarda di nuovo la Figura 5. Hai notato che le onde elettriche ionizzanti sono quelle con frequenze più elevate? Non è una coincidenza. L'energia di un'onda elettromagnetica è direttamente proporzionale alla sua frequenza. Più alta è la frequenza di un'onda elettromagnetica - o equivalentemente, più corta è la sua lunghezza d'onda - più energia trasmette.
Spettro elettromagnetico: applicazioni
A causa delle loro diverse caratteristiche, come l'energia che trasportano o il modo in cui interagiscono con la materia, vi sono applicazioni diverse per le diverse onde elettromagnetiche dello spettro. Citeremo alcuni esempi di applicazioni e discuteremo del perché vediamo colori diversi negli oggetti che ci circondano.
Onde radio
Queste onde elettromagnetiche sono utilizzate per la radiodiffusione, le comunicazioni e le trasmissioni satellitari. Le tecnologie Wi-Fi e BlueTooth utilizzano onde elettromagnetiche che rientrano in questa parte dello spettro.
Microonde
Sono comunemente utilizzate per cucinare e riscaldare i cibi, ma anche per le comunicazioni e le trasmissioni satellitari.
Infrarossi
Trovano applicazione nelle immagini termiche, nelle comunicazioni a corto raggio, nelle fibre ottiche, nei telecomandi e nei sistemi di sicurezza.
In generale, tutti i corpi emettono energia come radiazione elettromagnetica. La temperatura di un oggetto determina il tipo principale di onde elettromagnetiche che emette. Ad esempio, il filamento di una lampadina può raggiungere temperature elevate. A queste temperature, la radiazione emessa dal filamento comprende una quantità significativa di luce visibile. Temperature molto più basse, come la nostra temperatura corporea o quella di uno smartphone caldo dopo essere stato caricato, hanno un'emissione nella parte infrarossa dello spettro elettromagnetico, quindi non possiamo vederla. L'immagine seguente mostra una foto di uno smartphone scattata con una fotocamera a infrarossi.
Fig. 6 - Una termocamera a infrarossi può registrare le diverse onde infrarosse e creare un'immagine che mostra la distribuzione delle temperature di un oggetto.
Luce visibile
Tutto ciò che possiamo vedere riflette o emette luce visibile. Ci riferiamo alla luce visibile semplicemente come luce. Le frequenze corrispondenti a questa luce che possiamo vedere vanno da 380 a 750 \(nm\).
Percepiamo colori diversi in base alla frequenza della luce che raggiunge i nostri occhi. Questo funziona in modo simile a come percepiamo un tono diverso a seconda della frequenza dell'onda sonora.
Fig. 7 -Spettro della luce visibile in nanometri (\(nm\)).
Quando vediamo che un oggetto è di un determinato colore, in generale è perché riflette la frequenza di luce corrispondente a quel colore e assorbe il resto della luce visibile.
Alcuni animali possono "vedere" in una parte diversa dello spettro elettromagnetico. Per esempio, le api possono vedere onde elettromagnetiche con lunghezza d'onda da circa 300 a 650 \(nm\), il che significa che possono vedere parte dello spettro ultravioletto. I serpenti possono invece vedere nella parte infrarossa dello spettro.
Fig. 9 - Una persona può vedere un oggetto solo quando emette luce visibile o quando la luce visibile si riflette su di esso. Tuttavia, api e serpenti possono percepire diverse parti dello spettro elettromagnetico che noi non possiamo percepire.
Ultravioletti
Queste onde elettromagnetiche sono utilizzate nelle lampade fluorescenti, nel rilevamento di banconote false e denaro contraffatto, nella disinfezione dell'acqua e nell'indurimento della resina per applicazioni dentali.
La fluorescenza ultravioletta
Per fluorescenza ultravioletta si intende il fenomeno della fluorescenza generato da onde nell'ultravioletto. Nello specifico, i raggi ultravioletti vengono assorbiti dalla sostanza fluorescente e riemessi come raggi nel visibile.
Fig. 10 - Il led ultravioletto emette radiazioni ultraviolette e una parte di luce visibile. Le banconote assorbono la radiazione ultravioletta ed emettono luce visibile.
Raggi X
Sono utilizzati per osservare la struttura interna degli oggetti. Puoi averli visti negli scanner di sicurezza degli aeroporti o nelle radiografie mediche.
Fig. 11 - Applicazione medica dei raggi X: questa radiazione può penetrare la pelle del nostro corpo, ma non le ossa, che sono più dense.
Raggi gamma
Questo tipo di radiazione elettromagnetica ha molti usi, dalla sterilizzazione degli alimenti e delle apparecchiature mediche alla rilevazione del cancro e al suo trattamento.
Fig. 12 - Quando i raggi gamma raggiungono i batteri sul frutto, danneggiano il loro DNA in modo irreparabile, causando la morte dei batteri.
Spettro elettromagnetico - Punti Chiave
L'insieme di tutte le possibili frequenze delle onde elettromagnetiche viene chiamato spettro elettromagnetico.
Le onde elettromagnetiche hanno uno spettro continuo, in quanto non c'è un intervallo di lunghezze d'onda o frequenze possibili.
Le onde elettromagnetiche sono onde trasversali che trasmettono energia da una sorgente a un ricevitore e si muovono alla velocità della luce.
Tutte le forme di onde elettromagnetiche possono propagarsi nel vuoto.
L'equazione della velocità delle onde mette in relazione la lunghezza d'onda e la frequenza delle onde che compongono lo spettro elettromagnetico.
Le onde radio, le microonde, gli infrarossi, la luce visibile (dal rosso al violetto), gli ultravioletti, i raggi X e i raggi gamma sono le categorie che vanno dalla lunghezza d'onda lunga a quella corta (o dalla bassa all'alta frequenza).
Ogni categoria di onde all'interno dello spettro luminoso ha la sua lunghezza d'onda e la sua banda di frequenza.
I nostri occhi possono vedere solo in una parte dello spettro elettromagnetico: la luce visibile.
L'energia di un'onda elettromagnetica è direttamente proporzionale alla sua frequenza e inversamente proporzionale alla sua lunghezza d'onda.
References
- Fig. 1 - EM-Wave.gif (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:EM-Wave.gif) by And1mu is licensed by CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/)
- Fig. 10 - UV LED Fluoresence.jpg (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:UV_LED_Fluoresence.jpg) by Wtshymanski is licensed by CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/deed.en)
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