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Radiazione elettromagnetica Onde prodotte dall'oscillazione o dall'accelerazione di cariche elettriche; constano di una componente elettrica e di una magnetica e costituiscono il cosiddetto spettro elettromagnetico. Ordinate in base alla frequenza, da quelle ad alta frequenza, e quindi a piccola lunghezza d'onda, a quelle a bassa frequenza, esse sono raggi gamma, raggi X duri e molli (più e meno energetici rispettivamente), radiazione ultravioletta, luce visibile, radiazione infrarossa, microonde, e onde radio. Dai raggi gamma alle onde radio l'ordine di grandezza della lunghezza d'onda varia dal miliardesimo di centimetro al chilometro. La conoscenza della lunghezza d'onda, o equivalentemente della frequenza, è importante per determinare il potere di riscaldamento, la visibilità, la capacità di penetrazione, e altre caratteristiche dei diversi tipi di onde elettromagnetiche.
Proprietà
Le onde elettromagnetiche non necessitano di un mezzo materiale per potersi propagare. La luce e le onde radio emesse dal Sole e dai corpi celesti possono infatti viaggiare attraverso lo spazio interplanetario e interstellare e giungere fino alla superficie terrestre. La velocità di propagazione nel vuoto è uguale per tutte le frequenze della radiazione elettromagnetica ed è di 299.792 km al secondo. Presentando tutte le caratteristiche del moto ondulatorio (Vedi Onde), le onde elettromagnetiche possono dar luogo a fenomeni di diffrazione e interferenza.
Teoria
La prima formulazione completa della teoria delle onde elettromagnetiche è esposta in una serie di articoli pubblicati dopo il 1860 dal fisico britannico James Clerk Maxwell. Questi, oltre a proporre un'analisi matematica della teoria del campo elettromagnetico, avanzò la prima affermazione della natura elettromagnetica della luce.
Il fatto che la luce si propaghi sotto forma di onde trasversali, cioè di onde in cui le oscillazioni avvengono lungo una direzione perpendicolare alla direzione di avanzamento del fronte, era noto fin dall'inizio del XIX secolo. Tuttavia, ritenendo che fosse necessario un mezzo di supporto per la propagazione di qualsiasi tipo di onda, i fisici del tempo avevano postulato l'esistenza dell'etere, una sostanza invisibile e diffusa che permeava tutto lo spazio. L'assunzione dell'etere cosmico aveva numerose implicazioni connesse al concetto newtoniano della definizione di un sistema di riferimento spazio-temporale assoluto nell'universo, e probabilmente per questo motivo essa non venne immediatamente abbandonata, benché resa totalmente inutile dalla teoria di Maxwell. Verso la fine del XIX secolo, un celebre esperimento condotto dal fisico Albert Abraham Michelson e dal chimico Edward Williams Morley determinò la crisi del concetto di etere e aprì la strada allo sviluppo della teoria della relatività. Una conseguenza di questa teoria è che la velocità della radiazione elettromagnetica nel vuoto è un invariante, cioè un valore costante che rimane tale qualunque sia la velocità della sorgente o dell'osservatore.
Quanti di radiazione
Nei primi anni del XX secolo, i fisici scoprirono che la teoria ondulatoria non rendeva conto di tutte le proprietà della radiazione osservate. Nel 1900 il fisico tedesco Max Planck dimostrò che lo spettro del corpo nero, una superficie ideale che assorbe tutta la radiazione incidente, poteva essere spiegato solo assumendo che i fenomeni di emissione e di assorbimento avvenissero per scambio di quantità discrete di energia, dette quanti. Nel 1904 Albert Einstein fu in grado di spiegare i risultati di alcuni esperimenti condotti sull'effetto fotoelettrico, postulando che la radiazione elettromagnetica potesse assumere un comportamento corpuscolare.
In seguito furono messi in luce altri fenomeni di interazione tra radiazione e materia spiegabili solo in virtù della teoria quantistica. Si giunse alla conclusione che la radiazione elettromagnetica presenta a volte tutte le caratteristiche di una particella, a volte quelle di un'onda. Il concetto simmetrico, cioè che anche la materia alterni un comportamento ondulatorio a uno corpuscolare, fu proposto nel 1925 dal fisico francese Louis de Broglie.
Moto ondulatorio Meccanismo di trasporto di energia che non implica trasferimenti di materia. Sebbene non sia necessario che la materia si sposti da un punto a un altro durante la propagazione ondosa, molti tipi di moti ondulatori possono avvenire solo in presenza di materia. In ogni punto della traiettoria dell'onda ha luogo uno spostamento periodico, o oscillazione, intorno a una posizione media. Esempi di moto ondulatorio sono le vibrazioni delle molecole dell'aria, resposabili della propagazione del suono nell'atmosfera, e le onde del mare dovute a oscillazioni delle molecole d'acqua. In ognuno di questi casi le particelle materiali oscillano intorno alla loro posizione di equilibrio, ed è solamente l'energia quindi che si muove con continuità in una sola direzione Onde di questo tipo, ossia che si propagano con oscillazione di materia, sono dette meccaniche perché l'energia viene trasmessa attraverso un mezzo meccanico. Le onde elettromagnetiche, che consistono in variazioni periodiche dell'intensità del campo magnetico ed elettrico, possono invece propagarsi nello spazio vuoto.
Tipi di onde
Le onde si dicono trasversali o longitudinali a seconda che la direzione di oscillazione sia parallela o perpendicolare rispetto alla direzione di propagazione. Un'onda longitudinale può essere solo meccanica: essa risulta infatti da successive compressioni (stati di densità e pressione massimi) e rarefazioni (stati di densità e pressione minimi) del mezzo. Le onde sonore ne sono un esempio tipico. Esempi di onde trasversali sono invece quelle che si propagano lungo una corda tesa o le onde elettromagnetiche, come la luce, i raggi X, o le onde radio (vedi fig. 1 e fig. 2).
La lunghezza d'onda è la distanza tra due creste successive per le onde trasversali, e la distanza tra due compressioni successive o due rarefazioni successive per le onde longitudinali. La frequenza dell'onda è data dal numero di vibrazioni compiute in un secondo; la velocità di propagazione è pari al prodotto della lunghezza d'onda per la frequenza. L'elongazione massima di una vibrazione per le onde meccaniche è detta ampiezza dell'onda; mentre nel caso delle onde elettromagnetiche l'ampiezza rappresenta il valore più intenso del campo magnetico o del campo elettrico.
Comportamento delle onde
La velocità di un'onda nella materia dipende dall'elasticità e dalla densità del mezzo. In un'onda trasversale che si propaga lungo una corda fissa, ad esempio, la velocità dipende dalla tensione della corda, e dalla sua massa per unità di lunghezza. La velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche è costante ed è pari a circa 300.000 km/s nel vuoto, ma si riduce nella materia.
Rifrazione
In generale, quando un'onda passa da un mezzo a un altro la direzione di propagazione subisce una variazione; questo fenomeno è detto rifrazione. Ad esempio quando un raggio di luce passa dall'aria al vetro, si avvicina alla retta perpendicolare alla superficie di separazione tra i due mezzi. (Un raggio che incida perpendicolarmente non subisce alcuna deviazione). Questo fenomeno è dovuto al fatto che la velocità di propagazione varia in relazione al mezzo di propagazione.
Riflessione
Ogni volta che un'onda incide sulla superficie di separazione tra due mezzi, si separa in due componenti distinte: una prosegue nel secondo mezzo, subendo la rifrazione, l'altra viene riflessa all'interno del primo mezzo. Nel caso della luce che colpisce il vetro di una finestra, la luce riflessa è debole rispetto a quella rifratta. Se invece la luce colpisce un materiale opaco, è più intensa la luce riflessa rispetto a quella che riesce a penetrare nel mezzo prima di essere completamente assorbita. Riflessione.
Polarizzazione
Se le oscillazioni di un'onda trasversale hanno luogo tutte nello stesso piano, l'onda si dice polarizzata. Più comunemente invece le onde trasversali oscillano in tutte le direzioni; in questo caso esse possono essere studiate come la combinazione di oscillazioni orizzontali e verticali, o di una qualunque altra coppia di direzioni perpendicolari. Vedi Ottica: polarizzazione della luce.
Diffrazione
Tutte le onde (a parte quelle monodimensionali, come quelle di una corda) quando passano attraverso piccole aperture o quando incontrano un ostacolo sul loro cammino deviano dalla direzione di propagazione rettilinea, sparpagliandosi in direzioni diverse. A causa di questo fenomeno, detto diffrazione, è udibile un suono emesso da una sorgente posta dietro un angolo e il contorno delle ombre non è mai netto. La diffrazione diventa particolarmente intensa quando l'apertura attraverso cui si insinua l'onda è piccola rispetto alla sua lunghezza d'onda.
Interferenza
Quando due onde si incontrano in un punto, l'ampiezza delle vibrazioni in quel punto è data dalla somma algebrica dell'ampiezza delle due onde; se l'oscillazione avviene nello stesso senso per le due onde, se ne ottiene un rafforzamento, diversamente un indebolimento. Questo fenomeno è detto interferenza.
Onde stazionarie
Quando due onde con lunghezza d'onda e ampiezza uguali viaggiano alla stessa velocità nello stesso mezzo, si forma un'onda stazionaria. Ad esempio, se si annoda un'estremità di una corda a un muro e si scuote l'altra estremità, si ha dopo poco la sovrapposizione dell'onda diretta e di quella riflessa dal muro. Ammesso che la riflessione sia perfettamente efficiente, l'onda riflessa risulta sfasata di mezza lunghezza d'onda rispetto all'onda diretta. Per il fenomeno dell'interferenza le oscillazioni della corda in ogni punto sono date dalla somma algebrica delle singole onde. I punti in cui i massimi dell'una incontrano i minimi dell'altra rimangono fermi, e prendono il nome di nodi. A metà strada tra un nodo e l'altro le onde si sovrappongono in fase, e l'ampiezza dell'onda risultante è il doppio di quella dell'onda diretta; tali punti si chiamano ventri. La corda risulta divisa dai nodi in una serie di tratti lungo ciascuno una lunghezza d'onda, entro i quali la corda oscilla trasversalmente.
Le corde degli strumenti musicali generano onde stazionarie; una corda di violino, ad esempio, vibra generando un'onda stazionaria con i nodi agli estremi, simultaneamente a una con tre nodi di cui uno al centro, a un'altra con quattro nodi, e così via. La vibrazione a due nodi produce la nota fondamentale, tutti gli altri modi di vibrazione generano le armoniche successive.
Teoria quantistica
Secondo la teoria quantistica tutte le particelle possono assumere un comportamento di tipo ondulatorio, anche se tale comportamento può essere sperimentalmente osservato solo per particelle subatomiche. Ad esempio, come conseguenza della natura ondulatoria dell'elettrone, la struttura dell'atomo può essere spiegata in termini di un sistema di onde stazionarie. Poiché il dualismo onda-particella è un aspetto molto importante della fisica moderna, molti degli sviluppi attuali si fondano sulla teoria delle onde e della propagazione per onde.Vedi anche Terremoto; Huygens, Christiaan; Ottica.
Tipi di onde
Le onde si distinguono in longitudinali (figura 1) e trasversali (figura 2), a seconda che l’oscillazione del mezzo (o della grandezza vibrante, nel caso delle onde elettromagnetiche) avvenga in direzione parallela o perpendicolare a quella di propagazione dell’onda. I terremoti, che generano sia onde P (longitudinali) che onde S (trasversali), possono essere localizzati proprio in base alle differenze di velocità e di traiettoria dei due tipi di onde.
Riflessione di impulsi ondulatori
Un impulso impresso all’estremità libera di una corda vincolata all’altra estremità genera un’onda che si propaga verso il vincolo (A). Se quest’ultimo è libero di scorrere verticalmente, l’onda riflessa ha la stessa fase di quella incidente (C1) e la sua ampiezza nel punto di inversione è doppia (B1). Se invece l’estremo è fisso, le oscillazioni dell’onda riflessa avvengono nel verso opposto (C2) e l’ampiezza nel punto di inversione è nulla (B2).
Interferenza tra onde sferiche
Una figura di interferenza come questa, ottenuta in un apposito ondoscopio, si può osservare tutte le volte che si tocca la superficie di un liquido con due oggetti puntiformi relativamente vicini. Nella sovrapposizione tra le due serie di onde sferiche così generate, l'arrivo contemporaneo di due creste o di due ventri nello stesso punto produce rispettivamente una cresta o un ventre, di ampiezza pari alla somma dei due. Nella figura questo tipo di interferenza, detta costruttiva, si manifesta con un'alternanza di cerchi bianchi e neri. I raggi scuri corrispondono invece alle zone di interferenza distruttiva, in cui si sovrappongono le creste di un'onda con i ventri dell'altra.
Interferenza tra onde
Due impulsi che si propagano lungo una corda si sovrappongono, dando luogo a un unico impulso di ampiezza pari alla somma delle rispettive ampiezze. Perciò due onde di uguale ampiezza che viaggiano in opposizione di fase, nell’istante della sovrapposizione si annullano a vicenda (A: interferenza distruttiva), mentre due onde di uguale ampiezza che viaggiano lungo la corda con la stessa fase generano un impulso di ampiezza doppia (B: interferenza costruttiva).