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Come viene classificata la radiazione elettromagnetica

In

fisica, la radiazione elettromagnetica (EMR ) è costituita da onde del campo elettromagnetico (EM), che si propagano nello spazio e trasportano quantità di moto ed energia radiante elettromagnetica. [1] [2]

Classicamente, la radiazione elettromagnetica è costituita da onde elettromagnetiche , che sono oscillazioni sincronizzate di campi elettrici e magnetici. Nel vuoto, le onde elettromagnetiche viaggiano alla velocità della luce, comunemente indicata con c . Lì, a seconda della frequenza di oscillazione, vengono prodotte diverse lunghezze d'onda dello spettro elettromagnetico. In mezzi omogenei e isotropi, le oscillazioni dei due campi sono mediamente perpendicolari tra loro e perpendicolari alla direzione di propagazione dell'energia e dell'onda, formando un onda trasversale.

La radiazione elettromagnetica è comunemente indicata come "luce", EM, EMR o onde elettromagnetiche. [2]

La posizione di un'onda elettromagnetica all'interno dello spettro elettromagnetico può essere caratterizzata dalla sua frequenza di oscillazione o dalla sua lunghezza d'onda. Le onde elettromagnetiche di diversa frequenza sono chiamate con nomi diversi poiché hanno sorgenti ed effetti diversi sulla materia. In ordine di frequenza crescente e lunghezza d'onda decrescente, lo spettro elettromagnetico comprende: onde radio, microonde, infrarossi, luce visibile, ultravioletti, raggi X e raggi gamma. [3] [4]

Le onde elettromagnetiche sono emesse da particelle elettricamente cariche che subiscono accelerazione, [5] [6] e queste onde possono successivamente interagire con altre particelle cariche, esercitando forza su di esse. Le onde EM trasportano energia, momento angolare lontano dalla loro particella sorgente e possono impartire quelle quantità alla materia con cui interagiscono. La radiazione elettromagnetica è associata a quelle onde EM che sono libere di propagarsi ("irradiare") senza l'influenza continua delle cariche in movimento che le hanno prodotte, perché hanno raggiunto una distanza sufficiente da quelle cariche. Pertanto, l'EMR è talvolta indicato come campo lontano, mentre il campo vicino si riferisce ai campi EM vicino alle cariche e alla corrente che li hanno prodotti direttamente, in particolare l'induzione elettromagnetica e i fenomeni di induzione elettrostatica.

In meccanica quantistica, un modo alternativo di vedere l'EMR è che consiste di fotoni, particelle elementari prive di carica con massa a riposo zero che sono i quanti del campo elettromagnetico, responsabili di tutte le interazioni elettromagnetiche. [7] L'elettrodinamica quantistica è la teoria di come l'EMR interagisce con materia a livello atomico. [8] Gli effetti quantistici forniscono ulteriori fonti di EMR, come la transizione di elettroni a livelli di energia più bassi in un atomo e la radiazione di corpo nero. [9] L'energia di un singolo fotone è quantizzata e proporzionale alla frequenza secondo l'equazione di Planck E = hf , dove E è l'energia per fotone, f è la frequenza del fotone e h è la costante di Planck. Pertanto, i fotoni a frequenza più elevata hanno più energia. Ad esempio, un fotone di raggi gamma 10 20 Hz ha 10 19 volte l'energia di un fotone di onde radio a frequenza estremamente bassa di 10 1 Hz.

Gli effetti dell'EMR sui composti chimici e sugli organismi biologici dipendono sia dalla potenza della radiazione che dalla sua frequenza. EMR di ultravioletti a bassa energia o frequenze più basse (ad esempio, ultravioletto vicino, luce visibile, infrarosso, microonde e onde radio) non è ionizzante perché i suoi fotoni non hanno individualmente energia sufficiente per ionizzare atomi o molecole o per rompere i legami chimici. L'effetto delle radiazioni non ionizzanti sui sistemi chimici e sui tessuti viventi è principalmente il semplice riscaldamento, attraverso il trasferimento combinato di energia di molti fotoni. Al contrario, gli ultravioletti ad alta frequenza, i raggi X e i raggi gamma sono ionizzanti : i singoli fotoni di tale frequenza hanno energia sufficiente per ionizzare le molecole o rompere i legami chimici. Le radiazioni ionizzanti possono causare reazioni chimiche e danneggiare le cellule viventi oltre al semplice riscaldamento e possono essere pericolose per la salute.

Articoli

principali: Equazioni di Maxwell e

Equazioni di Maxwell

in campo vicino e lontano

James Clerk Maxwell ha derivato una forma d'onda delle equazioni elettriche e magnetiche, scoprendo così il natura ondulatoria dei campi elettrici e magnetici e loro simmetria. Poiché la velocità delle onde EM prevista dall'equazione delle onde coincideva con la velocità misurata della luce, Maxwell concluse che la luce stessa è un'onda EM. [10] [11] Le equazioni di Maxwell furono confermate da Heinrich Hertz attraverso esperimenti con le onde radio. [12]

Articoli

principali: Campo vicino e lontano e potenziale

di Liénard-Wiechert

Le equazioni di Maxwell hanno stabilito che alcune cariche e correnti (sorgenti ) producono campi elettromagnetici locali vicino a loro che non irradiano. Le correnti producono direttamente campi magnetici, ma tali campi sono di tipo a dipolo magnetico che si estinguono con la distanza dalla corrente. In modo simile, le cariche in movimento spinte a parte in un conduttore da un potenziale elettrico variabile (come in un'antenna) producono un campo elettrico di tipo dipolo, ma anche questo diminuisce con la distanza. Questi campi costituiscono il campo vicino. Nessuno di questi comportamenti è responsabile delle radiazioni EM. Invece, trasferiscono in modo efficiente l'energia solo a un ricevitore molto vicino alla sorgente, ad esempio all'interno di un trasformatore. Il campo vicino ha forti effetti sulla sua sorgente, con qualsiasi energia prelevata da un ricevitore che causa un aumento del carico (diminuzione della reattanza elettrica) sulla sorgente. Il campo vicino non si propaga liberamente nello spazio, portando via energia senza un limite di distanza, ma piuttosto oscilla, restituendo la sua energia al trasmettitore se non viene assorbita da un ricevitore. [13]

Al contrario, il campo lontano è composto da radiazioni libere dal trasmettitore, nel senso che il trasmettitore richiede la stessa potenza per inviare variazioni nel campo indipendentemente dal fatto che qualcosa assorba il segnale, ad es. Una stazione radio non ha bisogno di aumentare la sua potenza quando più ricevitori utilizzano il segnale. Questa parte lontana del campo elettromagnetico è la radiazione elettromagnetica. I campi lontani si propagano (irradiano) senza permettere al trasmettitore di influenzarli. Questo li fa essere indipendenti, nel senso che la loro esistenza e la loro energia, dopo che hanno lasciato il trasmettitore, è completamente indipendente sia dal trasmettitore che dal ricevitore. A causa della conservazione dell'energia, la quantità di energia che passa attraverso qualsiasi superficie sferica disegnata attorno alla sorgente è la stessa. Poiché tale superficie ha un'area proporzionale al quadrato della sua distanza dalla sorgente, la densità di potenza della radiazione EM proveniente da una sorgente isotropa diminuisce con l'inverso del quadrato della distanza dalla sorgente; Questa è chiamata legge dell'inverso del quadrato. Questo è in contrasto con le parti di dipolo del campo EM, il campo vicino, che varia in intensità secondo un cubo inverso legge di potenza, e quindi non trasporta una quantità conservata di energia sulle distanze, ma invece svanisce con la distanza, con la sua energia (come notato) che ritorna rapidamente al trasmettitore o assorbita da un ricevitore vicino (come una bobina secondaria del trasformatore).

Nella formulazione del potenziale di Liénard-Wiechert dei campi elettrici e magnetici dovuti al moto di una singola particella (secondo le equazioni di Maxwell), i termini associati all'accelerazione della particella sono quelli che sono responsabili della parte del campo che è considerata come radiazione elettromagnetica. Al contrario, il termine associato al cambiamento del campo elettrico statico della particella e il termine magnetico che risulta dalla velocità uniforme della particella sono entrambi associati al campo vicino e non comprendono la radiazione elettromagnetica. [14]

Proprietà I

campi elettrici e magnetici obbediscono le proprietà della sovrapposizione. Pertanto, un campo dovuto a una particolare particella o a un campo elettrico o magnetico variabile nel tempo contribuisce ai campi presenti nello stesso spazio a causa di altre cause. Inoltre, poiché sono campi vettoriali, tutti i vettori di campo magnetico ed elettrico si sommano in base all'addizione vettoriale. [15] Ad esempio, in ottica due o più onde luminose coerenti possono interagire e, per interferenza costruttiva o distruttiva, produrre un irraggiamento risultante che si discosta dalla somma degli irraggiamenti componenti delle singole onde luminose. [16]

I campi elettromagnetici della luce non sono influenzati dal passaggio attraverso campi elettrici o magnetici statici in un mezzo lineare come il vuoto. Tuttavia, in mezzi non lineari, come alcuni cristalli, possono verificarsi interazioni tra la luce e i campi elettrici e magnetici statici, tra cui l'effetto Faraday e l'effetto Kerr. [17] [18]

Nella rifrazione, un'onda che passa da un mezzo all'altro di diversa densità altera la sua velocità e direzione entrando nel nuovo mezzo. Il rapporto tra gli indici di rifrazione del mezzo determina il grado di rifrazione, ed è riassunto dalla legge di Snell. La luce delle lunghezze d'onda composite (luce solare naturale) si disperde in uno spettro visibile che passa attraverso un prisma, a causa dell'indice di rifrazione dipendente dalla lunghezza d'onda del materiale del prisma (dispersione); Cioè, ogni onda componente all'interno della luce composita viene piegata in modo diverso. [19]

La radiazione EM mostra contemporaneamente sia proprietà d'onda che proprietà di particelle (vedi dualità onda-particella). Sia le caratteristiche delle onde che quelle delle particelle sono state confermate in molti esperimenti. Le caratteristiche delle onde sono più evidenti quando la radiazione EM viene misurata su scale temporali relativamente ampie e su grandi distanze mentre le caratteristiche delle particelle sono più evidenti quando si misurano piccole scale temporali e distanze. Ad esempio, quando la radiazione elettromagnetica viene assorbita dalla materia, le proprietà simili alle particelle saranno più evidenti quando il numero medio di fotoni nel cubo della lunghezza d'onda pertinente è molto più piccolo di 1. Non è così difficile osservare sperimentalmente una deposizione non uniforme di energia quando la luce viene assorbita, tuttavia questo da solo non è la prova di un comportamento "particellare". Piuttosto, riflette la natura quantistica della materia . [20] Dimostrare che la luce stessa è quantizzata, non semplicemente la sua interazione con la materia, è una questione più sottile.

Alcuni esperimenti mostrano sia la natura ondulatoria che particellare delle onde elettromagnetiche, come l'auto-interferenza di un singolo fotone. [21] Quando un singolo fotone viene inviato attraverso un interferometro, passa attraverso entrambi i percorsi, interferendo con di per sé, come fanno le onde, ma viene rilevata da un fotomoltiplicatore o da un altro rivelatore sensibile solo una volta.

Una teoria quantistica dell'interazione tra la radiazione elettromagnetica e la materia, come gli elettroni, è descritta dalla teoria dell'elettrodinamica quantistica.

Le onde elettromagnetiche possono essere polarizzate, riflesse, rifratte o diffratte e possono interferire tra loro. [22] [23] [24]

Modello d'onda

In mezzi omogenei e isotropi, la radiazione elettromagnetica è un'onda trasversale, [25] il che significa che le sue oscillazioni sono perpendicolari alla direzione del trasferimento e del viaggio dell'energia. Deriva dalle seguenti equazioni: Queste equazioni predicano che ogni onda elettromagnetica deve essere un'onda trasversale, dove il campo elettrico E e il campo magnetico B sono entrambi perpendicolari alla direzione di propagazione delle onde.

Le parti elettriche e magnetiche del campo in un'onda elettromagnetica si trovano in un rapporto fisso di intensità per soddisfare le due equazioni di Maxwell che specificano come una è prodotta dall'altra. Nei mezzi senza dissipazione (senza perdite), questi campi E e B sono anche in fase, con entrambi che raggiungono massimi e minimi negli stessi punti nello spazio (vedi illustrazioni). Nella radiazione EM in campo lontano, descritta dalle due equazioni dell'operatore di ricciolo di Maxwell senza sorgente, un cambiamento di tempo in un tipo di campo è proporzionale al ricciolo dell'altro. Queste derivate richiedono che i campi E e B in EMR siano in fase (vedere la sezione matematica di seguito). [ citazione necessaria ] Un aspetto importante della natura della luce è la sua frequenza. La frequenza di un'onda è la sua velocità di oscillazione ed è misurata in hertz, l'unità di frequenza SI, dove un hertz è uguale a uno oscillazione al secondo. La luce di solito ha più frequenze che si sommano per formare l'onda risultante. Frequenze diverse subiscono diversi angoli di rifrazione, un fenomeno noto come dispersione.

Un'onda monocromatica (un'onda di una singola frequenza) è costituita da depressioni e creste successive e la distanza tra due creste o depressioni adiacenti è chiamata lunghezza d'onda. Le onde dello spettro elettromagnetico variano in dimensioni, da onde radio molto lunghe più lunghe di un continente a raggi gamma molto corti più piccoli dei nuclei atomici. La frequenza è inversamente proporzionale alla lunghezza d'onda, secondo l'equazione: [26]

dove v è la velocità dell'onda ( c nel vuoto o meno in altri mezzi), f è la frequenza e λ è la lunghezza d'onda. Quando le onde attraversano i confini tra diversi mezzi, le loro velocità cambiano ma le loro frequenze rimangono costanti.

Le onde elettromagnetiche nello spazio libero devono essere soluzioni dell'equazione delle onde elettromagnetiche di Maxwell. Sono note due classi principali di soluzioni, vale a dire le onde piane e le onde sferiche. Le onde piane possono essere viste come il caso limite delle onde sferiche a una distanza molto grande (idealmente infinita) dalla sorgente. Entrambi i tipi di onde possono avere una forma d'onda che è una funzione di tempo arbitraria (purché sia sufficientemente differenziabile da conformarsi all'equazione d'onda). Come con qualsiasi funzione temporale, questa può essere scomposta per mezzo dell'analisi di Fourier nel suo spettro di frequenza, o singole componenti sinusoidali, ognuna delle quali contiene una singola frequenza, ampiezza e fase. Si dice che un'onda così componente sia monocromatica . Un'onda elettromagnetica monocromatica può essere caratterizzata dalla sua frequenza o lunghezza d'onda, dalla sua ampiezza di picco, dalla sua fase rispetto a una fase di riferimento, dalla sua direzione di propagazione e dalla sua polarizzazione.

L'interferenza è la sovrapposizione di due o più onde che danno luogo a un nuovo modello d'onda. Se i campi hanno componenti nella stessa direzione, interferiscono in modo costruttivo, mentre le direzioni opposte causano un'interferenza distruttiva. Inoltre, più segnali di polarizzazione possono essere combinati (cioè interferiti) per formare nuovi stati di polarizzazione, che è nota come generazione di stati di polarizzazione parallela. [27]

L'energia nelle onde elettromagnetiche è talvolta chiamata energia radiante. [28] [29] [30]

Modello di particelle e teoria quantistica

Vedi anche: Quantizzazione (fisica) e Ottica quantistica

Un'anomalia sorse alla fine del XIX secolo che coinvolgeva una contraddizione tra la teoria ondulatoria della luce e le misurazioni degli spettri elettromagnetici emessi da radiatori termici noti come corpi neri. I fisici hanno lottato con questo problema senza successo per molti anni, e in seguito divenne noto come la catastrofe ultravioletta. Nel 1900, Max Planck sviluppò una nuova teoria della radiazione di corpo nero che spiegava lo spettro osservato. La teoria di Planck si basava sull'idea che i corpi neri emettano luce (e altre radiazioni elettromagnetiche) solo come fasci discreti o pacchetti di energia. Questi pacchetti erano chiamati quanti. Nel 1905, Albert Einstein propose che i quanti di luce fossero considerati come particelle reali. Più tardi alla particella di luce fu dato il nome di fotone, per corrispondere ad altre particelle descritte in questo periodo, come l'elettrone e il protone. Un fotone ha un'energia, E , proporzionale alla sua frequenza, f , dove

h è la costante di Planck, è la lunghezza d'onda e c è la velocità della luce. Questa è talvolta nota come equazione di Planck-Einstein. [31] Nella teoria quantistica (vedi prima quantizzazione) l'energia dei fotoni è quindi direttamente proporzionale alla frequenza dell'onda EMR. [32]

Allo stesso modo, la quantità di moto p di un fotone è anch'essa proporzionale alla sua frequenza e inversamente proporzionale alla sua lunghezza d'onda:

la fonte della proposta di Einstein secondo cui la luce era composta da particelle (o poteva agire come particelle in alcune circostanze) era un'anomalia sperimentale non spiegata dalla teoria ondulatoria: l'effetto fotoelettrico, in cui la luce che colpisce una superficie metallica espelle elettroni dalla superficie, provocando il flusso di una corrente elettrica attraverso una tensione applicata. Misurazioni sperimentali hanno dimostrato che l'energia dei singoli elettroni espulsi era proporzionale alla frequenza , piuttosto che all'intensità , della luce. Inoltre, al di sotto di una certa frequenza minima, che dipendeva dal particolare metallo, non scorreva corrente indipendentemente dall'intensità. Queste osservazioni sembravano contraddire la teoria delle onde, e per anni i fisici cercarono invano di trovare una spiegazione. Nel 1905, Einstein spiegò questo enigma resuscitando la teoria delle particelle della luce per spiegare l'effetto osservato. A causa della preponderanza di prove a favore della teoria ondulatoria, tuttavia, le idee di Einstein furono inizialmente accolte con grande scetticismo tra i fisici affermati. Alla fine la spiegazione di Einstein fu accettata quando fu osservato un nuovo comportamento della luce simile a una particella, come l'effetto Compton. Quando

un fotone viene assorbito da un atomo, eccita l'atomo, elevando un elettrone a un livello di energia più elevato (che è in media più lontano dal nucleo). Quando un elettrone in una molecola o atomo eccitato scende a un livello di energia inferiore, emette un fotone di luce a una frequenza corrispondente alla differenza di energia. Poiché I livelli di energia degli elettroni negli atomi sono discreti, ogni elemento e ogni molecola emette e assorbe le proprie frequenze caratteristiche. L'emissione immediata di fotoni è chiamata fluorescenza, un tipo di fotoluminescenza. Un esempio è la luce visibile emessa dalle vernici fluorescenti, in risposta ai raggi ultravioletti (luce nera). Molte altre emissioni fluorescenti sono note in bande spettrali diverse dalla luce visibile. L'emissione ritardata è chiamata fosforescenza. Articolo

principale: Dualità onda-particella

La teoria moderna che spiega la natura della luce include la nozione di dualità onda-particella.

Effetti delle onde e delle particelle della radiazione elettromagnetica

Insieme, gli effetti delle onde e delle particelle spiegano completamente gli spettri di emissione e assorbimento della radiazione EM. La materia-composizione del mezzo attraverso il quale la luce determina la natura dello spettro di assorbimento e di emissione. Queste bande corrispondono ai livelli di energia consentiti negli atomi. Le bande scure nello spettro di assorbimento sono dovute agli atomi in un mezzo intermedio tra la sorgente e l'osservatore. Gli atomi assorbono determinate frequenze della luce tra l'emettitore e il rivelatore/occhio, quindi le emettono in tutte le direzioni. Al rivelatore appare una banda scura, a causa della radiazione diffusa dal fascio di luce. Ad esempio, le bande scure nella luce emessa da una stella lontana sono dovute agli atomi nell'atmosfera della stella. Un fenomeno simile si verifica per l'emissione, che si verifica quando un gas emettitore si illumina a causa dell'eccitazione degli atomi da qualsiasi meccanismo, incluso il calore. Quando gli elettroni scendono a livelli di energia più bassi, viene emesso uno spettro che rappresenta i salti tra i livelli di energia degli elettroni, ma si vedono delle linee perché ancora una volta l'emissione avviene solo a particolari energie dopo eccitazione. [37] Un esempio è lo spettro di emissione delle nebulose. [38] Gli elettroni in rapido movimento sono accelerati più bruscamente quando incontrano una regione di forza, quindi sono responsabili della produzione di gran parte della radiazione elettromagnetica a più alta frequenza osservata in natura.

Questi fenomeni possono aiutare varie determinazioni chimiche per la composizione dei gas illuminati da dietro (spettri di assorbimento) e per i gas incandescenti (spettri di emissione). La spettroscopia (ad esempio) determina quali elementi chimici compongono una particolare stella. La spettroscopia viene utilizzata anche nella determinazione della distanza di una stella, utilizzando lo spostamento verso il rosso. [39]

Quando

un filo (o un altro oggetto conduttore come un'antenna) conduce corrente alternata, la radiazione elettromagnetica viene propagata alla stessa frequenza del corrente.

Come onda, la luce è caratterizzata da una velocità (la velocità della luce), lunghezza d'onda e frequenza. Come particelle, la luce è un flusso di fotoni. Ognuno ha un'energia relativa alla frequenza dell'onda data dalla relazione di Planck E = hf , dove E è l'energia del fotone, h è la costante di Planck, 6,626 × 10 −34 J·s e f è la frequenza dell'onda. [40]

In un mezzo (diverso dal vuoto), vengono considerati il fattore di velocità o l'indice di rifrazione, a seconda della frequenza e dell'applicazione. Entrambi questi sono rapporti tra la velocità in un mezzo e la velocità nel vuoto.

Storia della scoperta

Vedi anche: Storia della teoria elettromagnetica, Cronologia dell'elettromagnetismo e dell'ottica classica, e Radiazione § Scoperta

La radiazione elettromagnetica di lunghezze d'onda diverse da quelle della luce visibile è stata scoperta all'inizio del 19° secolo. La scoperta della radiazione infrarossa è attribuita all'astronomo William Herschel, che pubblicò i suoi risultati nel 1800 davanti alla Royal Society di Londra. [41] Herschel utilizzò un prisma di vetro per rifrangere la luce proveniente dal Sole e rilevò i raggi invisibili che causavano un riscaldamento oltre la parte rossa dello spettro, attraverso un aumento della temperatura registrata con un termometro. Questi "raggi calorifici" furono in seguito chiamati infrarossi. [42]

Nel 1801, il fisico tedesco Johann Wilhelm Ritter scoprì l'ultravioletto in un esperimento simile a quello di Herschel, utilizzando la luce solare e un prisma di vetro. Ritter notò che i raggi invisibili vicino al bordo viola di uno spettro solare dispersi da un prisma triangolare scurivano le preparazioni di cloruro d'argento più rapidamente della vicina luce viola. Gli esperimenti di Ritter furono uno dei primi precursori di quella che sarebbe diventata la fotografia. Ritter notò che i raggi ultravioletti (che in un primo momento erano chiamati "raggi chimici") erano in grado di provocare reazioni chimiche.

Nel 1862-64 James Clerk Maxwell sviluppò equazioni per il campo elettromagnetico che suggerivano che le onde nel campo avrebbero viaggiato con una velocità molto vicina alla velocità nota della luce. Maxwell suggerì quindi che la luce visibile (così come i raggi infrarossi e ultravioletti invisibili per inferenza) consistessero tutti nella propagazione di disturbi (o radiazioni) nel campo elettromagnetico. Le onde radio furono prodotte deliberatamente da Heinrich Hertz nel 1887, utilizzando circuiti elettrici calcolati per produrre oscillazioni a una frequenza molto più bassa di quella della luce visibile, seguendo le ricette per produrre cariche e correnti oscillanti suggerite dalle equazioni di Maxwell. Hertz sviluppò anche modi per rilevare queste onde e produsse e caratterizzò quelle che in seguito furono definite onde radio e microonde. [45] : 286, 7

Wilhelm Röntgen scoprì e chiamò i raggi X. Dopo aver sperimentato le alte tensioni applicate a un tubo evacuato l'8 novembre 1895, notò una fluorescenza su una lastra di vetro rivestita nelle vicinanze. In un mese scoprì le principali proprietà dei raggi X. L'ultima

porzione dello spettro EM ad essere scoperta è stata associata alla radioattività. Henri Becquerel scoprì che i sali di uranio causavano l'appannamento di una lastra fotografica non esposta attraverso una carta di copertura in modo simile ai raggi X, e Marie Curie scoprì che solo alcuni elementi emettevano questi raggi di energia, scoprendo presto l'intensa radiazione del radio. La radiazione della pechblenda è stata differenziata in raggi alfa (particelle alfa) e raggi beta (particelle beta) da Ernest Rutherford attraverso una semplice sperimentazione nel 1899, ma questi si sono rivelati essere tipi di radiazioni particolate cariche. Tuttavia, nel 1900 lo scienziato francese Paul Villard scoprì un terzo tipo di radiazione dal radio con carica neutra e particolarmente penetrante, e dopo averlo descritto, Rutherford si rese conto che doveva trattarsi di un terzo tipo di radiazione, che nel 1903 Rutherford chiamò raggi gamma. Nel 1910 il fisico britannico William Henry Bragg dimostrò che i raggi gamma sono radiazioni elettromagnetiche, non particelle, e nel 1914 Rutherford e Edward Andrade misurarono le loro lunghezze d'onda, scoprendo che erano simili ai raggi X ma con lunghezze d'onda più corte e frequenza più alta, anche se un "cross-over" tra raggi X e raggi gamma rende possibile avere raggi X con un'energia più alta (e quindi una lunghezza d'onda più corta) rispetto ai raggi gamma e viceversa. L'origine dei raggi li differenzia, i raggi gamma tendono ad essere fenomeni naturali originati dal nucleo instabile di un atomo e i raggi X sono generati elettricamente (e quindi prodotti dall'uomo) a meno che non siano il risultato della radiazione X di Bremsstrahlung causata dall'interazione di particelle in rapido movimento (come le particelle beta) che si scontrano con determinati materiali, di solito di numeri atomici più elevati. Articolo

principale: Spettro

elettromagnetico La

radiazione EM (la designazione "radiazione" esclude i campi statici, elettrici e magnetici e vicini) è classificata in base alla lunghezza d'onda in radio, microonde, infrarossi, visibile, ultravioletti, raggi X e raggi gamma. Le onde elettromagnetiche arbitrarie possono essere espresse dall'analisi di Fourier in termini di onde sinusoidali (radiazione monocromatica), che a loro volta possono essere classificate in queste regioni dello spettro EMR.

Per alcune classi di onde EM, la forma d'onda è più utilmente trattata come casuale , e quindi l'analisi spettrale deve essere eseguita con tecniche matematiche leggermente diverse appropriate per processi casuali o stocastici. In questi casi, le singole componenti di frequenza sono rappresentate in termini di contenuto di potenza e le informazioni di fase non vengono preservate. Tale rappresentazione è chiamata densità spettrale di potenza del processo casuale. La radiazione elettromagnetica casuale che richiede questo tipo di analisi si incontra, ad esempio, all'interno delle stelle e in alcune altre forme di radiazione a banda molto larga, come il campo d'onda del punto zero del vuoto elettromagnetico.

Il comportamento della radiazione EM e la sua interazione con la materia dipendono dalla sua frequenza e cambiano qualitativamente al variare della frequenza. Le frequenze più basse hanno lunghezze d'onda più lunghe, mentre le frequenze più alte hanno lunghezze d'onda più corte e sono associate a fotoni di energia più elevata. Non esiste un limite fondamentale noto a queste lunghezze d'onda o energie, alle due estremità dello spettro, anche se i fotoni con energie vicine all'energia di Planck o superiori ad essa (troppo alte per essere mai state osservate) richiederanno nuove teorie fisiche per essere descritte.

Articoli

principali: Onde radio e microonde

Quando le onde radio colpiscono un conduttore, si accoppiano al conduttore, viaggiano lungo di esso e inducono una corrente elettrica sulla superficie del conduttore spostando gli elettroni del materiale conduttore in grappoli di carica correlati.

I fenomeni di radiazione elettromagnetica con lunghezze d'onda che vanno da un metro di lunghezza a un millimetro sono chiamati microonde; con frequenze comprese tra 300 MHz (0,3 GHz) e 300 GHz.

Alle frequenze radio e a microonde, l'EMR interagisce con la materia in gran parte come una raccolta di cariche distribuite su un gran numero di atomi interessati. In conduttori elettrici, tale movimento di massa indotto di cariche (correnti elettriche) provoca l'assorbimento dell'EMR, oppure separazioni di cariche che causano la generazione di nuovi EMR (riflessione efficace dell'EMR). Un esempio è l'assorbimento o l'emissione di onde radio da parte di antenne, o l'assorbimento di microonde da parte di acqua o altre molecole con un momento di dipolo elettrico, come ad esempio all'interno di un forno a microonde. Queste interazioni producono correnti elettriche o calore, o entrambi.

Come

la radio e le microonde, anche l'infrarosso (IR) viene riflesso dai metalli (e anche dalla maggior parte delle EMR, ben nella gamma degli ultravioletti). Tuttavia, a differenza delle radiazioni radio e microonde a bassa frequenza, l'EMR a infrarossi interagisce comunemente con i dipoli presenti nelle singole molecole, che cambiano quando gli atomi vibrano alle estremità di un singolo legame chimico. Di conseguenza, viene assorbito da un'ampia gamma di sostanze, provocandone la aumento della temperatura man mano che le vibrazioni si dissipano sotto forma di calore. Lo stesso processo, eseguito al contrario, provoca l'irradiazione spontanea di sostanze sfuse nell'infrarosso (vedi sezione radiazione termica di seguito).

La radiazione infrarossa è suddivisa in sottoregioni spettrali. Sebbene esistano diversi schemi di suddivisione, [46] [47] lo spettro è comunemente diviso come vicino infrarosso (0,75-1,4 μm), infrarosso a lunghezza d'onda corta (1,4-3 μm), infrarosso a lunghezza d'onda media (3-8 μm), infrarosso a lunghezza d'onda lunga (8-15 μm) e infrarosso lontano (15-1000 μm). [48]

Articolo

principale: Luce

Le sorgenti naturali producono radiazioni EM in tutto lo spettro. La radiazione EM con una lunghezza d'onda compresa tra circa 400 nm e 700 nm viene rilevata direttamente dall'occhio umano e percepita come luce visibile. Altre lunghezze d'onda, in particolare l'infrarosso vicino (più lungo di 700 nm) e ultravioletto (più corto di 400 nm) sono talvolta indicati come luce.

All'aumentare della frequenza nell'intervallo visibile, i fotoni hanno energia sufficiente per modificare la struttura di legame di alcune singole molecole. Non è un caso che questo avvenga nel campo del visibile, in quanto il meccanismo della visione prevede il cambiamento di legame di una singola molecola, la retina, che assorbe un singolo fotone. Il cambiamento nella retina provoca un cambiamento nella forma della proteina rodopsina in cui è contenuta, che avvia il processo biochimico che fa sì che la retina dell'occhio umano percepisca la luce.

Anche la fotosintesi diventa possibile in questo campo, per lo stesso motivo. Una singola molecola di clorofilla è eccitata da un singolo fotone. Nei tessuti vegetali che conducono la fotosintesi, i carotenoidi agiscono per estinguere la clorofilla eccitata elettronicamente prodotta dalla luce visibile in un processo chiamato quenching non fotochimico, per prevenire reazioni che altrimenti interferirebbero con la fotosintesi ad alti livelli di luce.

Gli animali che rilevano l'infrarosso fanno uso di piccoli pacchetti d'acqua che cambiano la temperatura, in un processo essenzialmente termico che coinvolge molti fotoni.

È noto che gli infrarossi, le microonde e le onde radio danneggiano le molecole e i tessuti biologici solo per riscaldamento di massa, non per eccitazione da singoli fotoni della radiazione. La

luce visibile è in grado di influenzare solo una piccola percentuale di tutte le molecole. Di solito non in modo permanente o dannoso, piuttosto il fotone eccita un elettrone che poi emette un altro fotone quando ritorna alla sua posizione originale. Questa è la fonte di colore prodotta dalla maggior parte dei coloranti. La retina è un'eccezione. Quando un fotone viene assorbito, la retina cambia permanentemente struttura da cis a trans e richiede una proteina per riconvertirlo, cioè reimpostarlo per essere in grado di funzionare nuovamente come rivelatore di luce.

limitato Le prove indicano che alcune specie reattive dell'ossigeno sono create dalla luce visibile nella pelle e che queste possono avere un ruolo nel fotoinvecchiamento, allo stesso modo dell'ultravioletto A. [49]

Ultravioletto

Articolo principale: Ultravioletto

Man mano che

la frequenza aumenta nell'ultravioletto, i fotoni ora trasportano energia sufficiente (circa tre elettronvolt o più) per eccitare alcune molecole doppiamente legate in un riarrangiamento chimico permanente. Nel DNA, questo provoca danni permanenti. Il DNA è anche danneggiato indirettamente dalle specie reattive dell'ossigeno prodotte dall'ultravioletto A (UVA), che ha un'energia troppo bassa per danneggiare direttamente il DNA. Questo è il motivo per cui l'ultravioletto a tutte le lunghezze d'onda può danneggiare il DNA ed è in grado di causare il cancro e (per gli UVB) ustioni cutanee (scottature solari) che sono di gran lunga peggiori di quelle che sarebbero prodotte dai semplici effetti del riscaldamento (aumento della temperatura).

All'estremità superiore della gamma ultravioletta, l'energia dei fotoni diventa abbastanza grande da impartire abbastanza energia agli elettroni da farli liberare dall'atomo, in un processo chiamato fotoionizzazione. L'energia richiesta per questo è sempre maggiore di circa 10 elettronvolt (eV) corrispondente a lunghezze d'onda inferiori a 124 nm (alcune fonti suggeriscono un taglio più realistico di 33 eV, che è l'energia richiesta per ionizzare l'acqua). Questa fascia alta dello spettro ultravioletto con energie nell'intervallo di ionizzazione approssimativa, è talvolta chiamata "UV estremo". I raggi UV ionizzanti sono fortemente filtrati dall'atmosfera terrestre. [ citazione necessaria ]

Articoli principali: Raggi X e raggi gamma

La radiazione elettromagnetica composta da fotoni che trasportano energia di ionizzazione minima, o superiore, (che include l'intero spettro con lunghezze d'onda più corte), è quindi definita radiazione ionizzante. (Molti altri tipi di radiazioni ionizzanti sono costituito da particelle non EM). Le radiazioni ionizzanti di tipo elettromagnetico si estendono dall'ultravioletto estremo a tutte le frequenze più alte e alle lunghezze d'onda più corte, il che significa che tutti i raggi X e i raggi gamma sono idonei. Questi sono in grado di causare i tipi più gravi di danni molecolari, che possono verificarsi in biologia a qualsiasi tipo di biomolecola, comprese le mutazioni e il cancro, e spesso a grandi profondità sotto la pelle, poiché l'estremità superiore dello spettro dei raggi X e tutto lo spettro dei raggi gamma penetrano nella materia. [ citazione necessaria ]

Articoli

principali: strato di ozono, radio a onde corte, onde del cielo, ionosfera, finestra atmosferica e finestra

ottica

La maggior parte dei raggi UV e X sono bloccati dall'assorbimento prima dall'azoto molecolare, e poi (per le lunghezze d'onda nell'UV superiore) dall'eccitazione elettronica del diossigeno e infine dell'ozono alla gamma media dell'UV. Solo il 30% della luce ultravioletta del Sole raggiunge il suolo, e quasi tutta questa viene ben trasmessa.

La luce visibile è ben trasmessa nell'aria, una proprietà nota come finestra atmosferica, in quanto non è abbastanza energetica da eccitare l'azoto, l'ossigeno o l'ozono, ma troppo energetica per eccitare le frequenze vibrazionali molecolari del vapore acqueo e della CO2. [50]

Le bande di assorbimento nell'infrarosso sono dovute a modalità di eccitazione vibrazionale nel vapore acqueo. Tuttavia, a energie troppo basse per eccitare il vapore acqueo, l'atmosfera diventa di nuovo trasparente, consentendo la libera trasmissione della maggior parte delle microonde e delle onde radio. [51]

Infine, a lunghezze d'onda radio più lunghe di circa 10 m (circa 30 MHz), l'aria nella bassa atmosfera rimane trasparente alla radio, ma il plasma in alcuni strati della ionosfera inizia a interagire con le onde radio. Questa proprietà consente di ottenere lunghezze d'onda più lunghe (100 m o 3 MHz) per essere riflessa e si traduce in radio a onde corte oltre la linea di vista. Tuttavia, alcuni effetti ionosferici iniziano a bloccare le onde radio in arrivo dallo spazio, quando la loro frequenza è inferiore a circa 10 MHz (lunghezza d'onda più lunga di circa 30 m). [52]

Radiazione termica ed elettromagnetica come forma di calore

Articoli principali: Radiazione termica e legge di Planck

La struttura di base della materia coinvolge particelle cariche legate insieme. Quando la radiazione elettromagnetica colpisce la materia, fa oscillare le particelle cariche e guadagnano energia. Il destino ultimo di questa energia dipende dal contesto. Potrebbe essere immediatamente reirradiata e apparire come radiazione diffusa, riflessa o trasmessa. Può dissiparsi in altri movimenti microscopici all'interno della materia, raggiungendo l'equilibrio termico e manifestandosi come energia termica, o anche energia cinetica, in il materiale. Con poche eccezioni legate ai fotoni ad alta energia (come la fluorescenza, la generazione armonica, le reazioni fotochimiche, l'effetto fotovoltaico per le radiazioni ionizzanti al lontano ultravioletto, i raggi X e le radiazioni gamma), la radiazione elettromagnetica assorbita deposita semplicemente la sua energia riscaldando il materiale. Questo accade per le radiazioni infrarosse, a microonde e a onde radio. Le onde radio intense possono bruciare termicamente i tessuti viventi e possono cuocere il cibo. Oltre ai laser a infrarossi, i laser a luce visibile e ultravioletta sufficientemente intensi possono facilmente incendiare la carta. [53]

Le radiazioni ionizzanti creano elettroni ad alta velocità in un materiale e rompono i legami chimici, ma dopo che questi elettroni si scontrano molte volte con altri atomi, alla fine la maggior parte dell'energia diventa energia termica, il tutto in una minuscola frazione di secondo. Questo processo rende le radiazioni ionizzanti molto più pericolose per unità di energia rispetto alle radiazioni non ionizzanti. Questo L'avvertenza vale anche per i raggi UV, anche se quasi tutti non sono ionizzanti, perché i raggi UV possono danneggiare le molecole a causa dell'eccitazione elettronica, che è di gran lunga maggiore per unità di energia rispetto agli effetti del riscaldamento. La

radiazione infrarossa nella distribuzione spettrale di un corpo nero è solitamente considerata una forma di calore, poiché ha una temperatura equivalente ed è associata a una variazione di entropia per unità di energia termica. Tuttavia, "calore" è un termine tecnico in fisica e termodinamica ed è spesso confuso con l'energia termica. Qualsiasi tipo di energia elettromagnetica può essere trasformata in energia termica in interazione con la materia. Pertanto, qualsiasi radiazione elettromagnetica può "riscaldare" (nel senso di aumentare la temperatura dell'energia termica di) un materiale, quando viene assorbita. [54]

Il processo di assorbimento inverso o inverso nel tempo è termico radiazione. Gran parte dell'energia termica nella materia è costituita dal movimento casuale di particelle cariche e questa energia può essere irradiata lontano dalla materia. La radiazione risultante può essere successivamente assorbita da un altro pezzo di materia, con l'energia depositata che riscalda il materiale. [55]

La radiazione elettromagnetica in una cavità opaca all'equilibrio termico è effettivamente una forma di energia termica, avente la massima entropia di radiazione. [56]

Articoli

principali: Radiazione elettromagnetica e salute e Radiazioni e salute dei dispositivi wireless

Il bioelettromagnetismo è lo studio delle interazioni e degli effetti delle radiazioni EM sugli organismi viventi. Gli effetti delle radiazioni elettromagnetiche sulle cellule viventi, comprese quelle negli esseri umani, dipendono dalla potenza e dalla frequenza delle radiazioni. Per le radiazioni a bassa frequenza (onde radio e ultravioletto vicino) il Gli effetti meglio compresi sono quelli dovuti alla sola potenza della radiazione, che agisce attraverso il riscaldamento quando la radiazione viene assorbita. Per questi effetti termici, la frequenza è importante in quanto influisce sull'intensità della radiazione e sulla penetrazione nell'organismo (ad esempio, le microonde penetrano meglio degli infrarossi). È ampiamente accettato che i campi a bassa frequenza che sono troppo deboli per causare un riscaldamento significativo non potrebbero avere alcun effetto biologico. [57]

Alcune ricerche suggeriscono che i campi elettromagnetici non termici più deboli (compresi i deboli campi magnetici ELF, sebbene questi ultimi non si qualifichino strettamente come radiazioni EM [57] [58] [59] ) e i campi RF e microonde modulati possono avere effetti biologici, anche se il significato di ciò non è chiaro. [60] [61]

L'Organizzazione Mondiale della Sanità ha classificato radiazione elettromagnetica a radiofrequenza come Gruppo 2B – possibilmente cancerogena. [62] [63] Questo gruppo contiene possibili agenti cancerogeni come piombo, DDT e stirene.

A frequenze più elevate (alcune del visibile e oltre), gli effetti dei singoli fotoni iniziano a diventare importanti, poiché questi ora hanno abbastanza energia individualmente per danneggiare direttamente o indirettamente le molecole biologiche. [64] Tutte le frequenze UV sono state classificate come cancerogene del Gruppo 1 dall'Organizzazione Mondiale della Sanità. Le radiazioni ultraviolette derivanti dall'esposizione al sole sono la causa principale del cancro della pelle. [65] [66]

Così, a frequenze UV e superiori, la radiazione elettromagnetica fa più danni ai sistemi biologici di quanto il semplice riscaldamento preveda. Questo è più evidente nell'ultravioletto "lontano" (o "estremo"). I raggi UV, con raggi X e radiazioni gamma, sono indicati come radiazioni ionizzanti a causa della capacità dei fotoni di questa radiazione di produrre ioni e radicali liberi nei materiali (compresi i tessuti viventi). Poiché tali radiazioni possono danneggiare gravemente la vita a livelli di energia che producono poco riscaldamento, sono considerate molto più pericolose (in termini di danni prodotti per unità di energia o potenza) rispetto al resto dello spettro elettromagnetico.

Uso come arma

Vedi anche: Armi ad energia diretta § Armi a microonde

Il raggio di calore è un'applicazione dell'EMR che utilizza le frequenze delle microonde per creare uno sgradevole effetto di riscaldamento nello strato superiore della pelle. Un'arma a raggi di calore nota al pubblico, chiamata Active Denial System, è stata sviluppata dall'esercito americano come arma sperimentale per negare al nemico l'accesso a un'area. [67] Un raggio della morte è un'arma teorica che eroga raggi di calore basati sull'energia elettromagnetica a livelli in grado di ferire i tessuti umani. Un L'inventore di un raggio della morte, Harry Grindell Matthews, affermò di aver perso la vista dall'occhio sinistro mentre lavorava alla sua arma a raggi della morte basata su un magnetron a microonde degli anni '20 (un normale forno a microonde crea un effetto di cottura dannoso per i tessuti all'interno del forno a circa 2 kV/m). [68]

Articolo

principale: Equazione delle onde elettromagnetiche

Le

onde elettromagnetiche sono previste dalle leggi classiche dell'elettricità e del magnetismo, note come equazioni di Maxwell. Esistono soluzioni non banali delle equazioni omogenee di Maxwell (senza cariche o correnti), che descrivono onde di campi elettrici e magnetici variabili. A partire dalle equazioni di Maxwell nello spazio libero:

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