Lo spettro elettromagnetico

Un forno a microonde funziona a 2.45 GHz, quindi le sue onde sono lunghe circa 12 cm; la luce rossa di un laser ha lunghezza d'onda di 633 nm, circa 190 000 volte più corta.

La luce è un tipo di onda elettromagnetica

Negli anni 1860 James Clerk Maxwell dedusse che campi elettrici e magnetici variabili dovevano propagarsi come onde e ne calcolò la velocità. Il risultato coincideva con la velocità misurata della luce: concluse quindi che la luce è un'onda elettromagnetica con lunghezze d'onda rilevabili dall'occhio. La sua teoria ammetteva anche altre lunghezze d'onda. OpenStax racconta che Heinrich Hertz, a partire dal 1887, produsse e rilevò queste onde in laboratorio usando circuiti con scintille, ne misurò la lunghezza d'onda dai fenomeni di interferenza e dimostrò che viaggiano alla velocità della luce. Le onde radio erano già comparse in un quaderno di laboratorio prima che qualcuno trovasse un modo di usarle.

Tutte le onde elettromagnetiche viaggiano nel vuoto alla stessa velocità, c = 299 792 458 m/s: il NIST indica questo valore come esatto, perché dal 1983 il metro è definito a partire da esso. Per queste onde l'equazione diventa c = fλ, da cui OpenStax ricava la conseguenza principale: maggiore è la frequenza, minore è la lunghezza d'onda. Ordinate per lunghezza d'onda, dalle lunghe onde radio ai cortissimi raggi gamma, formano lo spettro elettromagnetico.

Dalle onde radio ai raggi gamma

Le onde radio hanno le lunghezze d'onda maggiori, da circa un metro fino a chilometri. OpenStax riporta le bande usate per le trasmissioni: radio AM da 540 a 1600 kHz, con lunghezze d'onda di centinaia di metri che aggirano colline ed edifici, e radio FM da 88 a 108 MHz, con onde lunghe circa 3 m. Seguono le microonde, da circa un millimetro a decine di centimetri: trasportano segnali di telefonia mobile e satellitari, mentre un forno a microonde usa onde di 2.45 GHz assorbite dall'acqua negli alimenti. L'infrarosso è emesso da tutto ciò che è caldo ed è ciò che rilevano le termocamere.

La luce visibile occupa una banda stretta. La NASA la colloca tra circa 380 e 700 nanometri, dal violetto al rosso; OpenStax usa 400-750 nm. I limiti dipendono dalla persona. L'ultravioletto va da 400 nm fino a circa 10 nm. OpenStax suddivide l'UV solare in UV-A (da 320 a 400 nm), UV-B (da 290 a 320 nm) e UV-C (da 220 a 290 nm). L'ozono nell'alta atmosfera assorbe gran parte degli UV-B e tutti gli UV-C: circa il 99% degli UV solari che raggiungono il suolo è quindi UV-A. I raggi X sono ancora più corti, fino a meno di 0.01 nm, e si producono quando elettroni veloci colpiscono un bersaglio. I raggi gamma derivano dal decadimento nucleare.

Tre regole orientative

OpenStax riassume lo spettro con tre regole, ciascuna con le sue eccezioni. Una frequenza maggiore significa più energia per fotone, ma la penetrazione dipende dal materiale e dalla lunghezza d’onda. I raggi X possono attraversare i tessuti molli, mentre gli UV assorbiti dalla pelle possono danneggiarla. Le onde ad alta frequenza possono trasportare più informazioni al secondo: per questo le fibre ottiche trasmettono molti più dati dei fili di rame. Infine, più corta è la lunghezza d'onda usata per esaminare qualcosa, più fini sono i dettagli che può rivelare: la diffrazione dei raggi X permette così di ricostruire la disposizione degli atomi in un cristallo. C'è un altro fatto da tenere presente: l'atmosfera lascia passare alcune bande, come la luce visibile e molte onde radio, ma ne blocca altre. Come spiega la NASA, i telescopi per raggi X e gamma devono quindi operare nello spazio.