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LE ONDE ELETTROMAGNETICHE

Periodo: tempo necessario affinché l'onda compia un ciclo completo Þ T.      Frequenza: numero d'oscillazioni che l'onda compie in un secondo Þ f.

 
 

Ampiezza d'onda Þ λ
 

Lunghezza d'onda
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    

Lunghezza d'onda Distanza percorsa da un'onda nell'intervallo di un periodo, o equivalentemente, distanza tra due punti consecutivi d'uguale fase di un'onda. La lunghezza d'onda è una grandezza fondamentale per lo studio di qualunque tipo di moto ondulatorio, e può variare da valori molto alti, quali ad esempio le centinaia di metri, tipiche delle lunghezze d'onda delle onde radio, a valori bassissimi come i milionesimi di milionesimi (10-12) di metro, tipici dei raggi gamma. In genere s'indica con la lettera greca λ ed è legata alla frequenza  f dalla relazione λ = v / f, dove v è la velocità di propagazione dell'onda.

 Le onde che si propagano sulla superficie dell'acqua, o su una corda, per effetto di una sollecitazione, provocano oscillazioni trasversali del mezzo rispetto alla loro direzione di propagazione. Creste e ventri sono i punti in cui lo spostamento dalla posizione d'equilibrio (elongazione) è massimo. La lunghezza d'onda può essere definita anche come la distanza tra due creste o tra due ventri successivi.

 Il suono invece si propaga per onde longitudinali, che consistono in movimenti periodici delle molecole d'aria lungo la direzione di propagazione dell'onda. Le creste e i ventri di un'onda longitudinale possono essere ancora definiti come punti in cui le molecole subiscono il massimo spostamento dalla posizione d'equilibrio, ma in modo equivalente le creste possono essere considerate come posizioni in cui le molecole d'aria sono dotate della massima velocità nel verso concorde a quello di propagazione, e i ventri come posizioni in cui la velocità delle molecole è massima in direzione opposta. Anche in questo caso la lunghezza d'onda può essere interpretata come la distanza tra due creste o tra due ventri successivi.

Le onde Elettromagnetiche si distinguono per la frequenza d'oscillazione del campo che propagano: com'è mostrato nell’illustrazione, onde appartenenti ai diversi intervalli di frequenza manifestano proprietà diverse, e sono utilizzate per applicazioni differenti. Le frequenze che vanno da 105 Hz (100 KHz) a 1011 Hz (100 GHz) sono definite anche onde hertziane: sono usate per la radiocomunicazione e in campo industriale. Le onde infrarosse hanno origine dalle vibrazioni molecolari: sono, ad esempio, caratteristiche dei laser. Nell’intervallo del visibile cadono le onde provocate dalle transizioni degli elettroni atomici e molecolari e dai corpi incandescenti, e percepite dall’occhio umano. Della medesima origine sono le onde ultraviolette e i raggi X, questi ultimi generati da transizioni elettroniche nelle quali sono coinvolti orbitali atomici dei livelli energetici più interni  degli atomi, e dunque caratterizzati da elevata frequenza e considerevole potere penetrante: sono perciò utilizzati nelle indagini e cure mediche e nell’industria, per le analisi dei materiali. Le onde gamma sono d'altissima frequenza, superiore a 1019 Hz (10 miliardi di GHz): sono caratteristiche delle reazioni nucleari e altamente penetranti, e dunque particolarmente utili nella cura dei tumori e nel trattamento industriale degli alimenti. Raggi ultravioletti, X e gamma d'origine celeste sono anche ampiamente studiati in astronomia, per la comprensione della struttura e della evoluzione dell’universo.         

           

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Relazione tra il periodo di un'onda T, la lunghezza d'onda f e la velocità v.

 

                                1                  1                     λ                  1          

                        T = ----  Þ  f = ------ ;        v = -----  =  λ · -----       perciò:    v = λ · f ;

                                f                   T                     T                 T

se consideriamo  le onde elettromagnetiche, la loro velocità nel vuoto (c) è costante e pari a 3×108m/s. Perciò c = λ · f.

L'energia trasportata da un'onda elettromagnetica è calcolabile con la formula: 

 

Frequenza dell’onda
 

Costante di Planck
 
                                               E = h · f                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                   

 

COSTANTE DI PLANCK. Indicata con la lettera h, fu introdotta dal fisico tedesco Max Planck, da cui prende il nome, nell'ambito degli studi sulle deviazioni del comportamento della radiazione di corpo nero rispetto alle previsioni della fisica classica. Mentre quest'ultima interpretava la radiazione elettromagnetica come un insieme d'onde (modello ondulatorio), Planck mostrò che, assumendo un modello corpuscolare, si ottenevano risultati teorici in accordo con i dati sperimentali. Secondo l'ipotesi di Planck, che è alla base di tutta la meccanica quantistica, l'energia trasportata dalla radiazione elettromagnetica è suddivisa in unità discrete, dette quanti, di valore proporzionale alla frequenza della radiazione. In simboli: E = hν, dove E è l'energia di un quanto, h è la costante di Planck, e ν è la frequenza della radiazione. La prima misura soddisfacente della costante di Planck (1916) si deve al fisico statunitense Robert Millikan. Il valore attualmente riconosciuto per questa costante è h = 6,626 10-34 J·s.

Planck, Max (Kiel 1858 - Gottinga 1947), fisico tedesco, considerato il padre della teoria quantistica. Conclusi gli studi presso le università di Monaco e di Berlino, ottenne nel 1885 la cattedra di fisica all'Università di Kiel. Dal 1889 al 1928 lavorò all'Università di Berlino proseguendo l'attività didattica e di ricerca.

 Max Planck, considerato il padre della fisica quantistica, vinse il premio Nobel per la fisica nel 1918. Studiando la radiazione di corpo nero, scoprì che l'emissione della radiazione non avveniva in forma d'onde, come ipotizzato dalle teorie di fisica del tempo, ma attraverso minuscoli proiettili d'energia, detti quanti di radiazione.

Culver Pictures

 

Nel 1900, durante le sue ricerche sulla radiazione emessa dal corpo nero, una superficie ideale che assorbe tutta l'energia incidente, egli avanzò l'ipotesi che l'energia fosse irraggiata in quantità discrete che chiamò quanti. La legge di Planck afferma che l'energia di un singolo quanto è uguale alla frequenza della radiazione moltiplicata per una costante universale, nota come costante di Planck. Benché effettivamente rivoluzionaria, la teoria proposta, che era formulata su basi empiriche, fu considerata un'ipotesi ad hoc per spiegare fenomeni di difficile interpretazione e non ottenne il riconoscimento che meritava. Il valore dell'ipotesi di Planck fu reso evidente dall'attività d'Einstein che, nell'ambito della spiegazione dell'effetto fotoelettrico, riprese il concetto di quanto e ne diede una definizione in termini fisici. La teoria di Bohr sulla struttura atomica fu al contempo un ulteriore sviluppo e una conferma dell'ipotesi dei quanti, che deve dunque essere considerata una tappa fondamentale nella storia della fisica moderna. Essa, infatti, segnò la crisi della fisica classica e la nascita della meccanica quantistica.

L'attività di ricerca di Planck fu premiata con vari riconoscimenti, tra i quali il premio Nobel per la fisica che gli fu assegnato nel 1918. Nel 1930 Planck fu eletto presidente dell'Istituto Kaiser Wilhelm per lo sviluppo della scienza, la principale associazione degli scienziati tedeschi, che più tardi prese il nome d'Istituto Max Planck. Per aver apertamente criticato il regime nazista, Planck fu però espulso dall'Istituto, del quale assunse nuovamente la direzione al termine della seconda guerra mondiale.

Le onde elettromagnetiche comprese nella banda del visibile  possono essere analizzate dallo spettrometro, uno strumento che fornisce uno spettro ove sono rappresentate le lunghezze d’onda componenti il fascio incidente.


Lo spettrometro è uno strumento che analizza e misura spettri di radiazione. Uno spettrometro ad assorbimento permette di determinare la natura di una sostanza ignota, mediante l’analisi della luce che la attraversa. Scissa da un prisma nei colori fondamentali che la compongono e opportunamente focalizzata da un sistema di lenti e fenditure, la luce che raggiunge lo schermo è composta dalle lunghezze d’onda che non sono state assorbite dalla sostanza.

 


Ciascun elemento chimico è univocamente identificato dal proprio spettro caratteristico, che ne rappresenta fedelmente la struttura atomica. Uno spettro d'emissione (nella figura sottostante) si presenta come una serie di righe luminose su fondo scuro, ciascuna corrispondente ad una specifica lunghezza d’onda: esso si ottiene quando gli atomi o le molecole della sostanza in esame emettono radiazione, in seguito ad una transizione elettronica tra stati di diversa energia.


 

 


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