La radiazione elettromagnetica

Ciò che chiamiamo radiazione elettromagnetica è, proprio dal nome, un fenomeno fisico che si propaga in linea retta (“radiazione” da “raggio”) e che ha natura elettromagnetica, ossia coinvolge un campo elettrico ed uno magnetico. Spesso la schematizzazione di una radiazione elettromagnetica appare come in figura 1.

Nella figura si notano due onde, dove per “onda” intendiamo qualcosa che cambia il suo valore in maniera periodica, che oscillano su due piani perpendicolari. Per i campi elettrico e magnetico si definisce un verso positivo: il campo elettrico ha un verso positivo nel senso in cui si sposterebbe un elettrone se fosse sottoposto ad esso, mentre il campo magnetico il verso positivo è dal polo Nord a quello Sud magnetici. Il polo Nord di un magnete è quello attratto dal polo Nord magnetico terrestre, mentre il polo Sud è quello opposto, attratto dal polo magnetico Sud terrestre. Ok, questo confonde un po’, perché sono i poli opposti che si attraggono, ma poiché ci si accorse solo dopo averli nominati che il polo Nord di una calamita è attratto dal Sud e viceversa i nomi rimasero quelli originali. 

Nella fig. 1 i versi dei campi sono indicati dalle frecce che, come vedete, cambiano ogni volta che i campi si annullano. Per comprendere meglio quanto detto finora ci aiuterà l’animazione in fig. 2.

Si tratta di un’onda elettromagnetica vista lungo la direzione di propagazione della figura precedente, ossia lungo la direzione da cui la vedremmo arrivare.

Vedete che una specie di croce con un braccio blu e uno rosso varia le proprie dimensioni. Il campo elettrico, che qui indichiamo con il braccio rosso, varia da zero (quando il braccio rosso non è visibile) fino al suo massimo valore (la massima estensione del braccio), ritorna ad essere nullo quando sparisce ancora e ridiventa massimo, in un ciclo continuo. Il braccio blu, che qui indica il campo magnetico, si comporta in modo identico, ma in una direzione perpendicolare al campo elettrico, diventando nullo nello stesso momento in cui lo diventa il campo elettrico. Il verso dei campi è indicato dalle frecce sovrapposte ai bracci, che cambiano ogni volta che i campi vanno a zero.  

Diciamo che se fossimo un elettrone, è così che “vedremmo arrivare” una particella di radiazione elettromagnetica, chiamata fotone, e avvertiremmo l’effetto dei campi elettrico e magnetico attraverso un movimento a noi impartito che cambia direzione ad ogni cambio di direzione dei campi. 

 La distanza tra due creste è chiamata lunghezza d’onda di solito indicata con la lettera greca lambda (λ) e si misura in metri. Il numero di volte al secondo in cui l’onda va su e giù ogni secondo è chiamata frequenza, indicata con la lettera greca ni (ν), e si misura in numero di creste, o di cicli al secondo. Questa unità di misura è chiamata Hertz (Hz), da Heinrich Hertz, il fisico tedesco che studiò per primo le proprietà delle onde che furono inzialmente chiamate hertziane e vennero chiamate onde radio solo quando vennero usate per “irradiare”, ossia per spedire lontano, i messaggi attraverso il telegrafo senza fili di Marconi. La lunghezza d’onda e la frequenza di un’onda elettromagnetica sono tra loro in relazione: per ogni fotone il loro prodotto è sempre uguale alla velocità della luce

λν = c

Un fotone, come abbiamo detto, trasporta una piccola quantità di energia, perché la particella stessa è esclusivamente fatta di energia. Non ha una cosidetta massa a riposo ossia una massa che possiede quando la particella è completamente ferma. Un fotone non esiste se non in movimento e alla sua velocità: quella che noi chiamiamo velocità della luce e indichiamo con la lettera c. Essa vale 299792458 m/s, cioè si sposta di quasi trecento milioni di metri ogni secondo.

L’energia trasportata da un singolo fotone è direttamente connessa alla frequenza del fotone stesso, come dedusse nel 1900 Max Planck. La formula che dedusse fu

E = hν

in cui ν è la frequenza del fotone e h è la costante di Planck, pari a 6,63 · 10^-34 J·s, in cui J sta per Joule, unità di misura dell’energia, e s per secondo. Una volta che Planck ebbe scritto una importantissima equazione per l’emissione del cosidetto corpo nero, una idealizzazione che può essere ben assimilata ad un corpo caldo in equilibrio termico, ossia che non si scalda e non si raffredda troppo velocemente, dedusse il valore della costante per far corrispondere i dati calcolati con quelli misurati sperimentalmente.

Un po’ di storia

Nella sezione La radiazione elettromagnetica abbiamo visto che tutte le radiazioni che abbiamo elencato hanno nomi differenti sebbene siano effettivamente lo stesso tipo di fenomeno: si tratta di un campo elettromagnetico variabile che fu anche previsto teoricamente mentre le diverse radiazioni che abbiamo elencato venivano scoperte. Queste radiazioni sono infatti state osservate, studiate e quindi nominate in tempi diversi, con metodi differenti e da persone diverse nell’arco di un secolo. Ma c’era qualcuno che le aveva previste tutte, sulla carta. Andiamo con ordine, cronologico direi.

A scoprire la radiazione visibile fu l’uomo, ovviamente. Per il semplice fatto di vedere sappiamo che esiste qualcosa che, se presente, ci permette di “vedere” le cose mentre la sua assenza non ce lo consente. L’abbiamo chiamata luce. Ma come era fatta e da cosa composta fu solo nel XVII secolo che abbiamo cominciato a comprenderlo. Gli studi dovuti all’astronomia di Tycho Brahe e Johannes Kepler prima e successivamente le sperimentazioni di Reneè Descartes (Cartesio), Isaac Newton, Christiaan Huyghens, Thomas Young  e altri tra la fine del ‘500 e il ‘700, hanno portato a definire le proprietà della luce. 

Gli studi sulla dispersione della luce, ossia di come la luce bianca sia scomponibile nei colori dell’arcobaleno se attraversa un prisma di materiale trasparente, sono iniziati con Newton e proseguiti con altri studiosi. Ma Newton, oltre ad altri tipi di esperimenti sulla luce, diede una sua interpretazione della sua natura come corpuscolare, ossia fatta da tanti piccole particelle di luce. I vari fenomeni di riflessione, rifrazione, colore e ombra poteva essere spiegata in modo più o meno soddisfacente dalla teoria corpuscolare, ma Huyghens si trovò a dissentire dalle conclusioni del collega a causa di altri fenomeni che si verificano con la luce, come ad esempio la diffrazione e l’interferenza, assolutamente non spiegabili in termini puramente corpuscolari, ma presenti nella propagazione delle onde. Per cui Huyghens propendeva per una natura ondulatoria della luce, ossia la luce era composta da onde luminose. Il problema che sorgeva con le onde era però che esse non si propagano senza un mezzo. Infatti le onde sulla superficie dell’acqua o le onde sonore hanno bisogno del mezzo, l’acqua o l’aria, per propagarsi. Il suono non si propaga nel vuoto ed era possibile verificarlo sperimentalmente. Quale era allora il mezzo in cui la luce si propagava?

Sebbene più semplice la teoria corpuscolare fu abbandonata presto a favore di quella ondulatoria che resse fino al 1905. Gradualmente, infatti, fu accettato da tutti i fisici che la luce si propagasse attraverso un mezzo impalpabile, rigidissimo, che non risentiva interazioni di tipo elettromagnetico o di gravitazionale, assolutamente fermo su scale astronomiche ma al contempo sembrava avere le caratteristiche di un solido e non di un liquido o di un gas. Insomma, una specie di chimera, ma allo stato non avevano spiegazioni migliori per la propagazione della luce. Fino ad Einstein.

Tycho Brahe

 Renè Descartes, Cartesio

La radiazione infrarossa

Il primo a scoprire una radiazione non visibile fu un astronomo. Friederich Wilhelm Herschel era un tedesco nato ad Hannover che studiò musica grazie al padre, che faceva parte della banda dell’esercito, e divenne musicista ed insegnante di musica. 

Si affermò come tale in Inghilterra, dove si trasferì intorno al 1756. Ma aveva una passione, l’astronomia. Aveva anche preso a costruirsi da solo i telescopi che usava per osservare il cielo notturno. Tra le cose che scoprì vi fu il pianeta Urano, che inizialmente chiamò Georgium Sidus, in onore di re Giorgio III, il quale lo compensò assegnandogli una carica inventata apposta e un appannaggio di 200 sterline annuali. Il re finanziò inoltre la costruzione di un telescopio da record, per allora, di ben un metro di diametro con il quale continuò a compiere altre scoperte. Ma in questa sezione lo ricorderemo soprattutto come lo scopritore dei raggi infrarossi. In uno dei suoi esperimenti, intorno al 1800, Herschel stava misurando la temperatura dei vari colori in cui si separa la luce del Sole mediante un prisma. Il termometro a mercurio veniva posto in corrispondenza di ogni colore e la temperatura veniva annotata. Chiunque abbia un oggetto in vetro che crea l’arcobaleno dalla luce solare sa che via via che il Sole si sposta nel suo moto diurno, anche gli arcobaleni prodotti si muovono. Accadde quindi che la luce dell’arcobaleno prodotto con il prisma di sir Herschel si spostasse oltre il termometro mettendo il bulbo in una posizione appena dopo il rosso. Herschel si accorse che, contrariamente a quanto si sarebbe atteso, il termometro non solo aveva una temperatura superiore a quella ambiente, ma anche superiore alla temperatura che aveva appena misurato sul rosso! 

Ovviamente si mise di lena a riprodurre l’esperimento, deducendo che esistevano dei raggi prodotti dal Sole a noi invisibili e che scaldavano. Li chiamò infrarossi, perché il prefisso infra in greco indica “al di sotto”. Quindi erano raggi al di sotto del rosso, ossia che venivano prima di questo colore nell’arcobaleno.

La radiazione ultravioletta

Passa circa un anno quando un altro fisico tedesco, Johann Wilhelm Ritter, scopre un’altra radiazione invisibile. In realtà, Ritter era interessato al galvanismo, ossia lo studio iniziato dall’italiano Luigi Galvani che riguarda la presenza di cariche elettriche statiche legate agli esseri viventi. 

Ritter è più interessato alle implicazioni filosofiche delle leggi fisiche e il legame che sembrava esserci tra elettricità e vita era uno dei campi da lui preferiti. Questo non gli impedì di fare scoperte decisamente importanti. Se, ad esempio, adoperiamo le batterie come le conosciamo adesso, ossia le pile a secco, lo dobbiamo al dottor Ritter, che nei suoi studi ne sviluppò un prototipo che durava migliaia di volte di più di una batteria di Volta. 

Il motivo per cui scoprì la radiazione ultravioletta fu decisamente poco scientifico. La scoperta fu direttamente connessa a quella degli infrarossi da parte di Herschel: data la dualità dell’elettricità, ossia l’esistenza di un polo positivo e di uno negativo, Ritter dedusse che, come prima del rosso nello spettro visibile vi era una radiazione calorifica, doveva esserci oltre il violetto una radiazione raffreddante. Si mise a cercarla e la trovò, utilizzando la proprietà del cloruro di argento, da poco scoperta, di modificarsi se esposto alla luce. Esponendo questo sale d’argento alla zona dello spettro oltre il violetto si accorse che esso cambiava colore, come se fosse esposto alla luce. Indizio questo che c’era una radiazione invisibile anche lì, ma contrariamente alle sue aspettative questa radiazione non si rivelò più fredda di quella infrarossa e se ne disinteressò. Il perché venne chiamata ultravioletta è, direi, autoesplicativo: ultra, dal latino “oltre” e violetta dal colore oltre il quale era stata osservata.

Le onde radio

In ordine temporale la radiazione che viene scoperta è quella che poi venne chiamata radio, ma che prima assunse nomi differenti. Intanto facciamo una pausa dai tedeschi, il prossimo che nominiamo è un inglese, James Clerk Maxwell. 

Accademico scozzese e grande matematico si formò ad Edimburgo e poi a Cambridge. Le sue ricerche spaziano dall’elettromagnetismo alla meccanica statistica, ma per il nostro discorso consideriamo il lungo articolo che pubblicò nel 1865, “La teoria dinamica del campo elettromagnetico”. In esso Maxwell introdusse le sue famose quattro equazioni che ci consentono di descrivere tutti i fenomeni elettromagnetici in natura. Risolvendo le equazioni in ogni condizione particolare è possibile avere una descrizione matematica dei fenomeni e quindi poter prevedere il comportamento dei sistemi fisici che coinvolgono l’elettromagnetismo. 

Su una particolare soluzione di queste equazioni si gioca la nostra comprensione del fenomeno elettromagnetico di cui stiamo parlando, le onde elettromagnetiche, come vennero definite dallo stesso Maxwell. Infatti, se nelle equazioni di Maxwell ci poniamo nelle condizioni di non avere né cariche né correnti elettriche, e quindi nessuna presenza di campo magnetico, non abbiamo il vuoto, contrariamente a quanto ci si aspetterebbe. In assenza di tutto, anche di materia circostante, le equazioni di Maxwell descrivono un fenomeno di tipo ondulatorio, ossia che varia come un’onda o un pendolo, in cui sono coinvolti un campo elettrico e uno magnetico, entrambi variabili in modo oscillante. Da questo vennero chiamate onde elettromagnetiche, ma nessuno ne aveva osservata una. Beh, a parte la luce. E gli infrarossi. E gli ultravioletti. Ma loro non sapevano che erano lo stesso fenomeno. Andiamo avanti.

Ci pensò Heinrich Rudolf Hertz, ed ecco che tornano i tedeschi. Nel periodo tra l’800 e il primo ‘900 i fisici tedeschi sono stati apripista per tutta una nuova fisica e per le due grandi teorie fisiche che tengono banco tuttora, la Relatività e la Meccanica Quantistica.

Hertz era anche lui un fisico che lavorava all’Università di Karlsruhe e si occupò quasi sempre di fenomeni di tipo elettromagnetico. Fu, tra l’altro, lo scopritore dell’effetto fotoelettrico, poi spiegato da Albert Einstein nel famoso articolo che gli valse il Nobel.

Hertz nel 1887 riesce a dimostrare che è possibile trasmettere onde prodotte da un sistema elettromagnetico e che in questo modo viene trasferita energia a distanza da un dispositivo emittente ad uno ricevente. Era stata fatta la prima trasmissione radio della storia ed erano per la prima volta state osservate le onde elettromagnetiche previste da Maxwell. Vennero chiamate onde hertziane, dal nome di chi le scoprì.

Questo nuovo tipo di radiazione venne chiamata anche radiazione elettromagnetica, proprio per il modo con cui era stata prodotta, ossia con un circuito elettrico percorso da corrente, che si sapeva già da un po’ produce anche un campo magnetico.  

Guglielmo Marconi sfruttò questo nuovo tipo di onde per trasmettere segnali. 

È importante sapere che un segnale è sempre un simbolo o una rappresentazione di qualunque tipo che abbia un significato preciso e comprensibile a chi conosca le modalità con cui viene codificato. In questo momento state adoperando uno dei più antichi segnali mai inventati dal genere umano: la scrittura. In essa vi sono dei simboli, le lettere, che hanno un significato e delle regole che permettono di unirle e comporre delle parole; attraverso le parole si possono a loro volta comporre le frasi e i periodi, potendo trasmettere un significato, codificato in lettere parole e frasi, a coloro che non possono direttamente sentire la nostra voce. 

Al tempo di Marconi era già stato inventato il telegrafo da Samuel Morse, nel 1832, che utilizzava un codice di segnali basati su un suono breve e uno lungo, punto e linea del codice inventato dallo stesso Morse. 

Il telegrafo di Morse era quello che trasmetteva su fili elettrici e richiedeva la stesura di lunghe reti di cavi per connettere posti distanti. Marconi pensò di sfruttare la possibilità scoperta da Hertz di trasmettere energia a distanza per trasmettere gli stessi segnali del telegrafo ma senza un filo elettrico lungo il quale si spostava il segnale. Vi riuscì nel 1896. Il nome di onde radio fu mutuato dalla direzione che prendeva la trasmissione, la linea retta o “raggio”, radius in latino. In pratica, onde a raggio. Il nome antenna invece derivò dall’esperienza di navigazione di Guglielmo Marconi, poiché antenna è l’asta che insieme all’albero regge una vela triangolare. Data la forma delle prime strutture trasmittenti, aste orientabili come l’antenna di una vela, questo termine diventò il nome di un qualsiasi strumento trasmittente o ricevente, adesso qualunque forma abbia. Successivamente Marconi continuò a perfezionare l’invenzione fino ad ottenere la prima trasmissione transoceanica della storia, tra una stazione trasmittente in Irlanda ed una ricevente in Canada.

La radiazione X

Nel 1886 Eugen Goldstein, un fisico tedesco, aveva scoperto i raggi catodici, in pratica una radiazione che veniva prodotta da un tubo di vetro in cui era fatto il vuoto e inserito un gas a bassissima pressione. Quando si poneva ai capi del tubo una differenza di potenziale elettrico, si otteneva la creazione di raggi, ossia di “qualcosa” che si propagava dal càtodo, ossia il polo negativo, all’ànodo (polo positivo). 

Vennero studiati bene fino al punto che Joseph John Thomson, un fisico inglese, nel 1896 provò che si trattava di particelle 1000 volte più piccole dell’atomo di idrogeno e cariche elettricamente. Aveva scoperto l’elettrone, che in realtà risultò con una massa 1835 volte minore di quella del protone. Ma che c’entra questo con i raggi X? Un fisico… tedesco (eh, sì, ve l’ho detto i tedeschi erano forti in fisica in quel periodo!), Wilhelm Conrad Röntgen, desiderava fare esperimenti sui raggi anodici e si procurò lo strumento che serviva, chiamato tubo di Crookes, da chi lo aveva inventato, ma già modificato in molti modi. 

I raggi anodici, si manifestavano nello stesso strumento ma dalla parte opposta ai raggi catodici. Inoltre si manifestavano come una debole luminescenza colorata, ma essendo  Röntgen daltonico non distingueva bene i colori. 

Quindi fu costretto a compiere gli esperimenti al buio, per visualizzare la luminescenza come luce e basta, non potendone distinguerne, appunto, il colore. Questo fu alla base della scoperta, perché durante l’esperimento osservò con la coda dell’occhio una debole luce provenire da tutt’altra parte rispetto all’apparato sperimentale. In una direzione diversa sia dai raggi catodici che da quelli anodici uno schermo metallico aveva preso a brillare debolmente! E questo nonostante tutto il tubo, tranne ovviamente le estremità, fosse stato ricoperto da uno spesso strato di cartone nero. Nessuna luce poteva filtrare, eppure quello schermo si illuminava. Volendo capire da dove venisse quella luce vi frappose le mano e dopo poco si rese conto che l’ombra che proiettava sullo schermo non aveva la forma della sua mano ma quella delle ossa che c’erano dentro!

Da buon sperimentatore iniziò a fare diverse modifiche all’apparato per studiare questo strano tipo di raggi che attraversavano il cartone e persino la carne umana. Infine, provò a fare un esperimento che rimase nella storia: chiese a sua moglie di tenere una mano davanti a quei raggi mentre dietro veniva posta una lastra fotografica. Vi lascio immaginare la faccia della signora Berta quando, sviluppata la lastra, vide la radiografia della sua mano, con tanto di anello nuziale!

Röntgen chiamò questi nuovi raggi “X”, dalla variabile ignota dei calcoli matematici, perché non ne conosceva l’origine. Aveva scoperto una radiazione che si rivelò estremamente utile, praticamente una rivoluzione in campo medico. Nel 1901 venne insignito del Nobel per la fisica, ma per l’enorme contributo alla medicina che questa scoperta aveva dato. Fu infatti chiaro fin da subito che si poteva utilizzarla per guardare dentro le persone, migliorare l’asportazione di proiettili e corpi estranei con procedure meno invasive visto che si poteva sapere con precisione dove fossero. Inoltre, ovviamente, vennero subito usati per individuare le fratture e alcuni tipi di malattie del torace e dell’addome. Ma, in prospettiva, divenne poi la base per la creazione della Tomografia Assiale Computerizzata, o TAC, che adesso utilizziamo in medicina con enormi vantaggi.

La radiazione γ

Mentre stava studiando la radioattività del radio, un elemento chimico isolato per la prima volta da Pierre e Marie Curie, il fisico francese Paul Ulrich Villard sistemò un apparato che avrebbe dovuto separare i due tipi di radiazione provenienti da quell’elemento. 

Ernest Rutherford, fisico inglese, nel  1899 provò che gli elementi radioattivi emettevano due tipi di radiazione. Rutherford li chiamò alfa (α)  ebeta (β), dalle prime due lettere dell’alfabeto greco, ed erano entrambe radiazioni fatte di corpuscoli elettricamente carichi. Gli esami successivi dimostrarono infatti che le radiazioni α erano nuclei di elio, ossia particelle fatte da due protoni e due neutroni, mentre le radiazioni  β erano elettroni. Entrambe le radiazioni erano fatte delle rispettive particelle ma accelerate a velocità elevatissime, quindi erano penetranti come proiettili. Ma dato che i raggi  α  erano fatti di particelle molto più massicce di quelle dei raggi β, questi venivano frenati più rapidamente da determinati schermi. Villlard, per studiare le radiazioni in modo indipendente, schermò con un sottile strato di piombo la radiazione proveniente dal campione di radio in modo da avere a disposizione soltanto raggi β.