Che cos'è un'onda elettromagnetica?

Il termine onda elettromagnetica descrive il modo in cui la radiazione elettromagnetica (EMR) si muove attraverso lo spazio. Diverse forme di EMR si distinguono per le loro lunghezze d'onda, che variano da molti metri (metri) a una distanza inferiore al diametro di un nucleo atomico. L'intera gamma, in ordine decrescente di lunghezza d'onda, va dalle onde radio alle microonde, alla luce visibile, ai raggi ultravioletti e ai raggi X, ai raggi gamma ed è nota come spettro elettromagnetico. Le onde elettromagnetiche hanno molte applicazioni, sia nella scienza che nella vita di tutti i giorni.

Onde di luce

Per molti aspetti, un'onda elettromagnetica si comporta in modo simile alle increspature sull'acqua o al suono che viaggia attraverso un mezzo come l'aria. Ad esempio, se una luce viene riflessa su uno schermo attraverso una barriera con due fessure strette, viene visualizzato un motivo di strisce chiare e scure. Questo è chiamato un modello di interferenza: dove le creste delle onde di una fenditura incontrano quelle dell'altra, si rinforzano a vicenda, formando una striscia luminosa, ma dove una cresta incontra una depressione, si cancellano, lasciando una striscia scura. La luce può anche piegarsi attorno a un ostacolo, come i frangiflutti attorno a un muro del porto: questo è noto come diffrazione. Questi fenomeni forniscono prove della natura ondulata della luce.

Per molto tempo si pensava che, come il suono, la luce dovesse viaggiare attraverso una sorta di mezzo. Questo è stato dato il nome di "etere", a volte scritto "etere", e si pensava che fosse un materiale invisibile che riempiva lo spazio, ma attraverso il quale oggetti solidi potevano passare senza ostacoli. Esperimenti progettati per rilevare l'etere dal suo effetto sulla velocità della luce in diverse direzioni non sono riusciti a trovare alcuna prova per esso e l'idea è stata infine respinta. Era evidente che la luce e altre forme di EMR non richiedevano alcun mezzo e potevano viaggiare attraverso lo spazio vuoto.

Lunghezza d'onda e frequenza

Proprio come un'onda oceanica, un'onda elettromagnetica ha picchi e depressioni. La lunghezza d'onda è la distanza tra due punti identici dell'onda da un ciclo all'altro, ad esempio la distanza tra un picco o cresta e il successivo. L'EMR può anche essere definito in termini di frequenza, ovvero il numero di creste che passano in un determinato intervallo di tempo. Tutte le forme di EMR viaggiano alla stessa velocità: la velocità della luce. Pertanto, la frequenza dipende interamente dalla lunghezza d'onda: più corta è la lunghezza d'onda, maggiore è la frequenza.

Energia

Lunghezza d'onda più corta o frequenza più alta, EMR trasporta più energia di lunghezze d'onda più lunghe o frequenze più basse. L'energia trasportata da un'onda elettromagnetica determina come influenza la materia. Le onde radio a bassa frequenza perturbano lievemente atomi e molecole, mentre le microonde le fanno muovere più vigorosamente: il materiale si riscalda. I raggi X e i raggi gamma sono molto più potenti: possono rompere i legami chimici e battere gli elettroni dagli atomi, formando ioni. Per questo motivo, sono descritti come radiazioni ionizzanti.

L'origine delle onde elettromagnetiche

La relazione tra luce ed elettromagnetismo fu stabilita dal lavoro del fisico James Clerk Maxwell nel 19 ° secolo. Ciò ha portato allo studio dell'elettrodinamica, in cui le onde elettromagnetiche, come la luce, sono considerate disturbi o "increspature" in un campo elettromagnetico, creato dal movimento di particelle cariche elettricamente. A differenza dell'etere inesistente, il campo elettromagnetico è semplicemente la sfera di influenza di una particella carica e non una cosa materiale tangibile.

I lavori successivi, all'inizio del XX secolo, dimostrarono che anche l'EMR aveva proprietà simili a particelle. Le particelle che compongono la radiazione elettromagnetica sono chiamate fotoni . Sebbene sembri contraddittorio, l'EMR può comportarsi come onde o come particelle, a seconda del tipo di esperimento che viene eseguito. Questa è nota come dualità onda-particella. Si applica anche a particelle subatomiche, atomi interi e persino molecole abbastanza grandi, che a volte possono comportarsi come onde.

La dualità onda-particella emerse mentre si stava sviluppando la teoria quantistica. Secondo questa teoria, l '"onda" rappresenta la probabilità di trovare una particella, come un fotone, in una data posizione. La natura ondulatoria delle particelle e la natura particellare delle onde hanno suscitato un grande dibattito scientifico e alcune idee da capogiro, ma nessun consenso generale su cosa significhi effettivamente.

Nella teoria quantistica, la radiazione elettromagnetica viene prodotta quando le particelle subatomiche rilasciano energia. Ad esempio, un elettrone in un atomo può assorbire energia, ma alla fine deve scendere a un livello di energia inferiore e rilasciare l'energia come EMR. A seconda di come viene osservata, questa radiazione può apparire come una particella o un'onda elettromagnetica.

usi

Gran parte della tecnologia moderna dipende dalle onde elettromagnetiche. Radio, televisione, telefoni cellulari e Internet si affidano alla trasmissione di EMR a radiofrequenza attraverso cavi aerei, spaziali o in fibra ottica. I laser utilizzati per registrare e riprodurre DVD e CD audio utilizzano onde luminose per scrivere e leggere dai dischi. Le macchine a raggi X sono uno strumento essenziale in medicina e sicurezza aeroportuale. Nella scienza, la nostra conoscenza dell'universo proviene in gran parte dall'analisi della luce, delle onde radio e dei raggi X da stelle e galassie distanti.

pericoli

Non si ritiene che le onde elettromagnetiche a bassa energia, come le onde radio, siano dannose. A energie più elevate, tuttavia, l'EMR comporta rischi. Le radiazioni ionizzanti, come i raggi X e i raggi gamma, possono uccidere o danneggiare le cellule viventi. Possono anche alterare il DNA, che può portare al cancro. Il rischio per i pazienti di raggi X medici è considerato trascurabile, ma i radiografi, che sono esposti a loro regolarmente, indossano grembiuli di piombo - che i raggi X non possono penetrare - per proteggersi. La luce ultravioletta, presente alla luce del sole, può causare scottature e può anche provocare il cancro della pelle se l'esposizione è eccessiva.