L’energia elettromagnetica è familiare alla maggior parte delle persone come luce e calore, ma può assumere molte altre forme, come le onde radio e i raggi X. Si tratta di tutti i tipi di radiazione originati dalla forza elettromagnetica, responsabile di tutti i fenomeni elettrici e magnetici. La radiazione viaggia alla velocità della luce in modo simile alle onde.
A differenza delle onde sonore, le onde elettromagnetiche non richiedono un mezzo attraverso cui muoversi e possono viaggiare attraverso lo spazio vuoto. La lunghezza dell’onda può variare da centinaia di iarde (metri) fino a scale subatomiche. L’intera gamma di lunghezze d’onda è nota come spettro elettromagnetico, di cui la luce visibile costituisce solo una piccola parte. Nonostante il carattere ondulatorio osservato della radiazione elettromagnetica (EMR), può anche comportarsi come se fosse composta da minuscole particelle, note come fotoni.
Luce, elettricità e magnetismo
La connessione tra luce ed elettromagnetismo è stata rivelata nel XIX secolo dal lavoro del fisico James Clerk Maxwell sui campi elettrici e magnetici. Usando le equazioni che sviluppò, scoprì che la velocità con cui i campi si muovono nello spazio era esattamente la velocità della luce e concluse che la luce era un disturbo di questi campi, che viaggiava sotto forma di onde. Le sue equazioni mostravano anche che erano possibili altre forme di EMR con lunghezze d’onda più lunghe e più corte; questi sono stati successivamente identificati. Le scoperte di Maxwell hanno dato origine allo studio dell’elettrodinamica, secondo la quale l’EMR consiste in campi elettrici e magnetici oscillanti ad angolo retto l’uno rispetto all’altro e alla direzione del movimento. Questo spiegava la natura ondulatoria della luce, come osservato in molti esperimenti.
Lunghezza d’onda, frequenza ed energia
La radiazione elettromagnetica può essere descritta in termini della sua lunghezza d’onda – la distanza tra le creste delle onde – o la sua frequenza – il numero di creste che passano da un punto fisso durante un determinato intervallo di tempo. Quando si muove nel vuoto, EMR viaggia sempre alla velocità della luce; pertanto, la velocità con cui viaggiano le creste non varia e la frequenza dipende solo dalla lunghezza dell’onda. Una lunghezza d’onda più corta indica una frequenza più alta e un’energia più elevata. Ciò significa che i raggi gamma ad alta energia non viaggiano più velocemente delle onde radio a bassa energia; invece, hanno lunghezze d’onda molto più corte e frequenze molto più alte.
La dualità onda-particella
L’elettrodinamica ha avuto molto successo nel descrivere l’energia elettromagnetica in termini di campi e onde, ma all’inizio del XX secolo, l’indagine di Albert Einstein sull’effetto fotoelettrico, in cui la luce rimuove gli elettroni da una superficie metallica, ha sollevato un problema. Scoprì che l’energia degli elettroni dipendeva interamente dalla frequenza, e non dall’intensità, della luce. Un aumento della frequenza produceva elettroni di energia più elevata, ma un aumento della luminosità non faceva differenza. I risultati potrebbero essere spiegati solo se la luce fosse costituita da particelle discrete, chiamate in seguito fotoni, che trasferissero la loro energia agli elettroni. Questo ha creato un enigma: osservato su larga scala, l’EMR si comporta come onde, ma le sue interazioni con la materia alle scale più piccole possono essere spiegate solo in termini di particelle.
Questo è noto come dualità onda-particella. È emerso durante lo sviluppo della teoria quantistica e si applica a tutto su scala subatomica; gli elettroni, per esempio, possono comportarsi sia come onde che come particelle. Non c’è un consenso generale tra gli scienziati su cosa significhi effettivamente questa dualità sulla natura dell’energia elettromagnetica.
Elettrodinamica quantistica
Alla fine è emersa una nuova teoria, nota come elettrodinamica quantistica (QED), per spiegare il comportamento particellare dell’EMR. Secondo la QED, i fotoni sono le particelle che trasportano la forza elettromagnetica e le interazioni di oggetti caricati elettricamente sono spiegate in termini di produzione e assorbimento di queste particelle, che a loro volta non portano carica. La QED è considerata una delle teorie di maggior successo mai sviluppate.
Come viene prodotta l’energia elettromagnetica
L’elettrodinamica classica descriveva la produzione di EMR in termini di movimento di cariche elettriche, ma una spiegazione più moderna, in linea con la teoria quantistica, si basa sull’idea che le particelle subatomiche di cui è composta la materia possono occupare solo determinati livelli di energia fissi. La radiazione elettromagnetica viene rilasciata dal passaggio da uno stato energetico superiore a uno inferiore. Lasciata a se stessa, la materia cercherà sempre di raggiungere il suo livello energetico più basso.
L’EMR può essere prodotto quando la materia assorbe temporaneamente energia, ad esempio quando viene riscaldata, quindi la rilascia per scendere a un livello inferiore. Uno stato energetico inferiore può essere raggiunto anche quando atomi o molecole si combinano tra loro in una reazione chimica. La combustione è un esempio familiare: tipicamente, una molecola si combina con l’ossigeno dell’aria, formando prodotti che collettivamente hanno meno energia della molecola originale. Ciò provoca il rilascio di energia elettromagnetica sotto forma di fiamma.
Nel nucleo del Sole, quattro nuclei di idrogeno si combinano, in una serie di passaggi, per formare un nucleo di elio che ha una massa leggermente inferiore, e quindi meno energia. Questo processo è noto come fusione nucleare. L’energia in eccesso viene rilasciata sotto forma di raggi gamma ad alta frequenza che vengono assorbiti dalla materia più esterna, che quindi emette questa energia, principalmente sotto forma di luce visibile e calore.
Energia elettromagnetica, vita e tecnologia
L’energia del Sole è cruciale per la vita sulla Terra. La luce solare riscalda la superficie terrestre, che a sua volta riscalda l’atmosfera, mantenendo temperature adatte alla vita e guidando i sistemi meteorologici del pianeta. Le piante utilizzano l’energia elettromagnetica del Sole per la fotosintesi, il metodo con cui producono il cibo. L’energia solare viene convertita in energia chimica che alimenta i processi che consentono alle piante di produrre il glucosio di cui hanno bisogno per sopravvivere dall’anidride carbonica e dall’acqua. Il sottoprodotto di questa reazione è l’ossigeno, quindi la fotosintesi è responsabile del mantenimento dei livelli di ossigeno del pianeta.
La maggior parte delle forme di tecnologia si basa in gran parte sull’energia elettromagnetica. La rivoluzione industriale è stata alimentata dal calore generato dalla combustione di combustibili fossili e, più recentemente, la radiazione solare è stata utilizzata direttamente per fornire energia “pulita” e rinnovabile. Le moderne comunicazioni, trasmissioni e Internet dipendono fortemente dalle onde radio e dalla luce incanalata attraverso cavi in fibra ottica. La tecnologia laser utilizza la luce per leggere e scrivere su CD e DVD. La maggior parte di ciò che gli scienziati sanno sull’universo deriva dall’analisi dell’EMR di varie lunghezze d’onda di stelle e galassie lontane.
Effetti sulla salute
L’EMR ad alta frequenza, come i raggi gamma, i raggi X e la luce ultravioletta, trasporta energia sufficiente per causare cambiamenti chimici nelle molecole biologiche. Può rompere legami chimici o rimuovere elettroni dagli atomi, formando ioni. Questo può danneggiare le cellule e alterare il DNA, aumentando il rischio di cancro. Sono state espresse preoccupazioni anche sugli effetti sulla salute dell’EMR a bassa frequenza, come le onde radio e le microonde utilizzate dai telefoni cellulari e da altri dispositivi di comunicazione. Sebbene queste forme di radiazioni sembrino non avere alcun effetto diretto sulla chimica della vita, possono causare il riscaldamento dei tessuti in aree localizzate con esposizione prolungata. Finora non sembrano esserci prove conclusive che ciò possa far ammalare le persone.