Il termine onda elettromagnetica descrive il modo in cui la radiazione elettromagnetica (EMR) si muove nello spazio. Diverse forme di EMR si distinguono per le loro lunghezze d’onda, che variano da molte iarde (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 attraverso le microonde, la luce visibile, l’ultravioletto ei raggi X fino 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 proiettata su uno schermo attraverso una barriera con due fessure strette, viene visualizzato uno schema di strisce chiare e scure. Questo è chiamato schema 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 un avvallamento, si annullano, lasciando una striscia scura. La luce può anche piegarsi attorno a un ostacolo, come i frangenti oceanici attorno a un muro di un porto: questo è noto come diffrazione. Questi fenomeni forniscono la prova della natura ondulatoria della luce.
Si è creduto a lungo che, come il suono, la luce dovesse viaggiare attraverso un qualche tipo di mezzo. Questo è stato dato il nome “etere”, a volte scritto “etere”, e si pensava fosse un materiale invisibile che riempiva lo spazio, ma attraverso il quale gli oggetti solidi potevano passare senza ostacoli. Gli esperimenti progettati per rilevare l’etere in base al suo effetto sulla velocità della luce in direzioni diverse non riuscirono a trovare alcuna prova a suo favore e l’idea fu 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 ciclo a ciclo, per esempio, la distanza tra un picco, o cresta, e il successivo. L’EMR può essere definito anche in termini di frequenza, che è 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, l’EMR trasporta più energia rispetto a 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 leggermente gli atomi e le molecole, mentre le microonde li 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 far cadere gli elettroni dagli atomi, formando ioni. Per questo motivo vengono definite radiazioni ionizzanti.
L’origine delle onde elettromagnetiche
La relazione tra luce ed elettromagnetismo è stata stabilita dal lavoro del fisico James Clerk Maxwell nel XIX secolo. Ciò ha portato allo studio dell’elettrodinamica, in cui le onde elettromagnetiche, come la luce, sono considerate come disturbi, o “increspature”, in un campo elettromagnetico, creato dal movimento di particelle caricate elettricamente. A differenza dell’etere inesistente, il campo elettromagnetico è semplicemente la sfera di influenza di una particella carica, e non una cosa tangibile e materiale.
Lavori successivi, all’inizio del XX secolo, hanno dimostrato che l’EMR aveva anche 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 effettuato. Questo è noto come dualità onda-particella. Si applica anche alle particelle subatomiche, agli atomi interi e persino alle molecole piuttosto grandi, che a volte possono comportarsi come onde.
La dualità onda-particella è emersa durante lo sviluppo della teoria quantistica. Secondo questa teoria, l’“onda” rappresenta la probabilità di trovare una particella, come un fotone, in un dato luogo. La natura ondulatoria delle particelle e la natura particellare delle onde hanno dato origine a molti dibattiti scientifici e ad alcune idee sbalorditive, 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 energetico inferiore e rilasciare l’energia come EMR. A seconda di come viene osservata, questa radiazione può apparire come una particella o un’onda elettromagnetica.
si utilizza
Gran parte della tecnologia moderna dipende dalle onde elettromagnetiche. Radio, televisione, telefoni cellulari e Internet si basano sulla 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 deriva in gran parte dall’analisi della luce, delle onde radio e dei raggi X di stelle e galassie lontane.
Pericoli
Non si pensa che le onde elettromagnetiche a bassa energia, come le onde radio, siano dannose. Ad energie più elevate, tuttavia, l’EMR presenta dei 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 derivante dai raggi X medici è considerato trascurabile, ma i tecnici di radiologia, 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 solari e può anche causare il cancro della pelle se l’esposizione è eccessiva.