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Indice Corso
0. Introduzione
1. Spunti di Storia
2. Elettromagnetismo e telescopi (+)


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Fondamenti di Astronomia - Capitolo 2
Lezione 02: Le onde elettromagnetiche
A cura di: prof.ssa Anna Zappi, Ing. Damiano Martorelli

2.2.1 La natura delle onde elettromagnetiche

Nel paragrafo precedente abbiamo accennato all'esistenza di più tipi di radiazioni (radiazioni visibili, infrarosse (IR), ultraviolette (UV), raggi Gamma, raggi X ed onde radio) ed è emerso che qualunque sia il tipo di radiazioni che deve essere raccolto, il principio di funzionamento di un telescopio è sempre il medesimo. Perchè? Perchè radiazioni visibili, infrarosse ecc. non sono altro che aspetti differenti di fenomeni ondulatori elettromagnetici, ossia tali radiazioni sono costituite da onde elettromagnetiche.
   Col termine di onda elettromagnetica si indica una combinazione di campi elettrici e magnetici, che si propagano nello spazio con le modalità tipiche della propagazione ondosa. Laddove esiste un campo elettrico esiste infatti anche un campo magnetico, e viceversa. Nel caso di fenomeni dipendenti dal tempo, non è più possibile studiare separatamente il campo elettrico da quello magnetico. A causa di questa inseparabilità si parla di campo elettromagnetico. Quando la corrente oscilla (cioè inverte periodicamente la sua direzione) si produce nelle vicinanze un campo magnetico che oscilla anch’esso e che, a sua volta, induce un altro campo elettrico oscillatorio nelle sue vicinanze e così via. Si crea, in questo modo, una perturbazione fatta di campi elettrici e campi magnetici indotti che si allontana dalla fonte originaria con una velocità uguale a 300.000 km al secondo nel vuoto. Ecco dunque definite le onde elettromagnetiche. Esse in realtà dispongono di una doppia natura, visto che manifestano contemporaneamente tanto la loro natura ondulatoria quanto quella corpuscolare. In generale, si può dire che per le radiazioni a frequenza più bassa (vedi onde radio) la natura ondulatoria prevale su quella corpuscolare (che pure è presente), mentre per quelle a frequenze superiori (vedi luce e superiori) è la natura corpuscolare, rappresentata dai fotoni, a prevalere su quella ondulatoria.
   L'esistenza di tali onde fu intuita e dimostrata per via teorica da James Maxwell (Edimburgo, 13 giugno 1831 – Cambridge, 5 novembre 1879), mentre la conferma sperimentale fu opera di HeinrIch Hertz (Amburgo, 22 febbraio 1857 – Bonn, 1º gennaio 1894), da cui il termine di onde hertziane, con cui spesso vengono indicate le onde elettromagnetiche.



2.2.2 Lo spettro delle onde elettromagnetiche

I vari tipi di tali onde elettromagnetiche differiscono tra loro per la frequenza (cioè per il numero di picchi dell'onda che si registrano nell'unità di tempo; la si indica con n o la lettera greca ν [ni]) e per la lunghezza d'onda (cioè la distanza tra i singoli picchi; la si indica con la lettera greca λ [lambda]), ma non per la velocità. Infatti, tutte le onde elettromagnetiche hanno la medesima velocità, a parità di mezzo attraversato. Nel vuoto, tutte le onde elettromagnetiche si propagano alla velocità di circa 300000 chilometri al secondo (cioè, alla velocità della luce, che è a sua volta un'onda elettromagnetica, come vedremo). E’ quindi possibile classificare queste radiazioni mediante due diverse unità di misura: il metro (m) oppure l’hertz (Hz). Con la prima indicheremo la lunghezza d’onda; e con la seconda indicheremo invece la frequenza. Nella tabella seguente è riportato l'intero spettro delle onde elettromagnetiche.

n (Hz) λ (m) Tipo dell'onda Impieghi
¬ 1022      
  ¬ 10-13    
¬ 1021      
  ¬ 10-12    
¬ 1020     Controllo materiali
  ¬ 10-11    
¬ 1019   Raggi γ  
  ¬ 10-10    
¬ 1018   Raggi X Radiologia
  ¬ 10-9    
¬ 1017      
  ¬ 10-8    
¬ 1016   Ultravioletto Medicina
  ¬ 10-7  
¬ 1015   Luce
  ¬ 10-6  
¬ 1014   Infrarosso
  ¬ 10-5    
¬ 1013      
  ¬ 10-4   Trasporto di Energia
¬ 1012   Microonde  
  ¬ 10-3    
¬ 1011   Onde Millimetriche  
  10-2   Radar
¬ 1010   Onde centimetriche  
  ¬ 10-1   Ponti radio
¬ 109      
  ¬ 100    
¬ 108   Onde ultracorte Televisione
  ¬ 101    
¬ 107   Onde corte Radio
  ¬ 102  
¬ 106   Onde medie
  ¬ 103  
¬ 105   Onde lunghe
  ¬ 104    
¬ 104      
  ¬ 105   Telegrafia
¬ 103   Bassa frequenza  

Nella tabella le onde sono ordinate secondo frequenze decrescenti. Le regioni che delimitano il campo di variabilità di un tipo di onda non hanno confini netti. Possiamo anche rappresentare il tutto come in figura 2.5

Figura 2.05
Figura 2.5 Rappresentazione dello spettro elettromagnetico

L’energia di un’onda elettromagnetica è data dalla somma delle energie dei suoi fotoni. Senza entrare nei dettagli fisici che ci porterebbero lontano, possiamo dire che alle estremità opposte dello spettro troviamo le onde radio, i cui fotoni sono meno energetici, e i raggi gamma, i cui fotoni sono invece altamente energetici. Questi ultimi, infatti, dispongono di energie comprese tra 100 mila e 1012 eV (elettronVolt), mentre la luce visibile è composta da fotoni con energie comprese appena tra 2 e 3 eV. Caratteristica comune a tutti i tipi di radiazione è la cessione di energia alla materia attraversata. L'assorbimento di energia si manifesta in genere in un aumento locale di temperatura. E’ naturale che il riscaldamento più rapido e maggiore avviene laddove un materiale è colpito da onde elettromagnetiche costituite da fotoni più energetici. In questo caso, infatti, la loro interazione con la materia è superiore giacché essi possono interagire a livello molecolare o addirittura atomico con il materiale in questione. Quando addirittura i fotoni sono capaci di scomporre e modificare la struttura di un atomo (rendendolo uno ione) si parla di onde elettromagnetiche ionizzanti che risultano essere altamente dannose se assorbite dagli esseri viventi.



2.2.3 Raggi γ (Gamma)

Quando si parla di onde elettromagnetiche di lunghezza d’onda inferiore ai 0,1 nanometri si parla di raggi gamma γ. Questi sono i raggi che portano le energie più elevate. Sono detti fortemente ionizzanti poiché hanno la capacità di modificare la struttura elettronica degli atomi. Sono devastanti per gli esseri viventi. Fortunatamente, l’atmosfera terrestre li blocca e impedisce loro di accedere al suo interno.



2.2.4 Raggi X

Quando gli elettroni accelerati urtano un corpo solido e si fermano bruscamente, dal punto in cui è avvenuto l’impatto partono radiazioni, di lunghezza d’onda compresa tra 1 e 0,1 nanometri, che sono dette raggi X. La caratteristica più evidente dei raggi X è la loro straordinaria capacità penetrante. E’ proprio per questa loro qualità che sono utilizzati ampiamente in campo medico e nello studio atomico della cellula. I Raggi X e quelli gamma sono abbondantissimi nello spazio ed è per questo che là, senza speciali protezioni, non può sopravvivere alcuna forma di vita.



2.2.5 Raggi ultravioletti

I raggi ultravioletti sono costituiti da radiazioni elettromagnetiche invisibili con lunghezza d’onda compresa tra i 400 e i 100 nanometri. Al suo interno, la banda dell’ultravioletto è convenzionalmente suddivisa in tre parti : le U.V.A. (onde lunghe) comprese tra 400 e 315nm ; le U.V.B. (onde medie) comprese tra 315 e 280nm; le U.V.C. (onde corte) comprese tra 280 e 100nm. I raggi ultravioletti provenienti dal Sole sono in gran parte bloccati dall’ozono dell’atmosfera terrestre che lascia penetrare al suo interno solo i raggi UVA e una percentuale molto bassa di quelli UVB. I raggi UVC invece vengono totalmente assorbiti dall’atmosfera. I raggi UVA risultano persino positivi per il corpo umano se assunti in quantità moderate: servono infatti a prevenire diverse malattie tra cui il rachitismo e la sclerosi multipla, interagendo con il midollo osseo. Discorso completamente diverso per i restanti raggi ultravioletti a frequenze superiori quali sono gli UVB e UVC. Questi se non fossero assorbiti dall’atmosfera sarebbero devastanti tanto per la fauna quanto per la flora terrestre. Sull’uomo sarebbero causa (e lo sono laddove è più marcato il problema del "buco dell’ozono") di tumori della pelle, lesioni agli occhi, indebolimento del sistema immunitario. Tutto questo perché questi tipi di radiazioni sono altamente energetici e possono interagire a livello molecolare con i tessuti organici. Anche sull’ambiente possono essere devastanti andando ad alterare gli ecosistemi acquatici e terrestri. Tali raggi hanno la capacità di inibire il processo di fotosintesi clorofilliana, riducendone la crescita e provocando gravi scompensi a livello di catena alimentare di interi ecosistemi.



2.2.6 Raggi infrarossi

Più ci spostiamo verso la luce e più possiamo apprezzare la natura corpuscolare delle onde elettromagnetiche, tanto è vero che queste finiscono con l’interagire più distintamente con la struttura della materia. Gli infrarossi sono in linea di massima tutte quelle onde elettromagnetiche che hanno una lunghezza d’onda compresa tra un millimetro e 700 nanometri. Gli infrarossi sono un sistema molto diffuso per la trasmissione dei dati, basti pensare al telecomando della televisione o dei cancelli automatici. Utilizzano frequenze piuttosto elevate (intorno ai mille GHz) che sono praticamente molto vicine a quelle della luce, ed è per questo motivo che non attraversano mezzi solidi e sono limitati a trasmissioni su brevi distanze. Poiché utilizzano le frequenze della luce, non c’è ente governativo che ne regoli l'uso (come avviene invece molto spesso con le onde radio). Poiché le fonti di calore emettono in prevalenza sulle lunghezze d’onda degli infrarossi, è possibile individuare tali sorgenti, anche in totale assenza di luce, se si dispone di un rilevatore agli infrarossi. Pertanto, ecco spiegato perché strumentazioni in grado di "vedere" il calore agli infrarossi sono ampiamente utilizzate in campo militare. Basti pensare alle apparecchiature utilizzate durante la guerra del Golfo. Queste riuscivano a "vedere" i carri armati che si spostavano nella fredda e buia notte del deserto, riuscendo così a colpirli. Per altro, basta disporre di un buon visore agli infrarossi e di un faro che proietta luce infrarossa per poter controllare un ambiente totalmente buio potendolo tenere sotto controllo come se si fosse in pieno giorno.



2.2.7 Le Microonde

Emettono su lunghezze d’onda comprese tra 10 cm e 1 mm e per la loro natura sono più simili ad onde piuttosto che alla luce. La natura corpuscolare (fotonica) delle onde elettromagnetiche si fa vistosa man mano che ci spostiamo verso gli infarossi.



2.2.8 Le Onde Radio

Le onde radio sono la porzione dello spettro elettromagnetico che ha la frequenza più bassa e la lunghezza d’onda maggiore. Tutte quelle onde elettromagnetiche che emettono su lunghezze d’onda superiori ai 4-5 metri sono "onde radio". E’ interessante sottolineare anche come esse siano quelle che più si comportano come onde. Convenzionalmente, si parla di onde radio "lunghe" per frequenze comprese tra i 150 e 350 kHz, "medie" per quelle comprese tra i 500 e i 1600 kHz e "corte" per frequenze che variano tra i 6 e i 18 mHz. Le comunicazioni radio sono quelle che si avvalgono di queste frequenze. Tuttavia, non possiamo utilizzarle esattamente tutte. Dobbiamo immaginare, infatti, che la nostra onda elettromagnetica sia una specie di contenitore entro il quale dobbiamo riporre codificato (modulato) il nostro "messaggio vocale". Poiché la voce ha una gamma che varia circa tra i 200 Hz e i 4 kHz è evidente che utilizzare onde elettromagnetiche troppo vicine a queste frequenze è praticamente impossibile. Infatti, la modulazione massima possibile di un’onda è pari al 100%, il che significa, in teoria, che una voce potrebbe essere modulata e trasmessa anche su frequenze pari ai 4 kHz. Tuttavia, ciò in pratica è presso che impossibile. Inoltre, che non solo il contenitore deve essere più grande del suo contenuto ma deve anche essere piuttosto capiente: tanto maggiore è la capienza del contenitore tanto migliore sarà la qualità di mantenimento del suo contenuto. Perciò, utilizzare frequenze inferiori ai 150 kHz non è conveniente ed infatti ufficialmente non vengono sfruttate per comunicazioni radiofoniche. Inoltre, modulare sotto i 30 kHz è del tutto impossibile. Frequenze al di sotto di questa banda si impiegano esclusivamente per la trasmissione di messaggi in codice Morse, e per i fax. Soltanto fenomeni naturali (i fulmini per esempio) hanno tanta energia da riuscire ad emettere efficacemente anche su frequenze inferiori.


 
     
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