Spettro elettromagnetico

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Articolo principale: Microonde

Le microonde sono onde radio di lunghezza d’onda corta, da circa 10 centimetri a un millimetro, nelle bande di frequenza SHF e EHF. L’energia a microonde viene prodotta con tubi klystron e magnetron e con dispositivi a stato solido come i diodi Gunn e IMPATT. Sebbene siano emessi e assorbiti da antenne corte, sono anche assorbiti da molecole polari, che si accoppiano a modalità vibrazionali e rotazionali, con conseguente riscaldamento sfuso., A differenza delle onde a frequenza più elevata come l’infrarosso e la luce che vengono assorbite principalmente sulle superfici, le microonde possono penetrare nei materiali e depositare la loro energia sotto la superficie. Questo effetto viene utilizzato per riscaldare il cibo nei forni a microonde e per il riscaldamento industriale e la diatermia medica. Le microonde sono le principali lunghezze d’onda utilizzate nei radar e sono utilizzate per la comunicazione satellitare e le tecnologie di rete wireless come il Wi-Fi., I cavi di rame (linee di trasmissione) che vengono utilizzati per trasportare onde radio a bassa frequenza alle antenne hanno eccessive perdite di potenza alle frequenze delle microonde, e tubi metallici chiamati guide d’onda sono utilizzati per trasportarli. Sebbene all’estremità bassa della banda l’atmosfera sia principalmente trasparente, all’estremità superiore della banda l’assorbimento delle microonde da parte dei gas atmosferici limita le distanze di propagazione pratiche a pochi chilometri.,

La radiazione Terahertz o radiazione sub-millimetrica è una regione dello spettro da circa 100 GHz a 30 terahertz (THz) tra le microonde e il lontano infrarosso che può essere considerata appartenente a entrambe le bande. Fino a poco tempo fa, la gamma era raramente studiata e poche fonti esistevano per l’energia a microonde nel cosiddetto gap terahertz, ma ora appaiono applicazioni come l’imaging e le comunicazioni. Gli scienziati stanno anche cercando di applicare la tecnologia terahertz nelle forze armate, dove le onde ad alta frequenza potrebbero essere dirette alle truppe nemiche per incapacitare le loro apparecchiature elettroniche., La radiazione Terahertz è fortemente assorbita dai gas atmosferici, rendendo questa gamma di frequenze inutile per le comunicazioni a lunga distanza.

Radiazione infrarossa

La parte infrarossa dello spettro elettromagnetico copre l’intervallo da circa 300 GHz a 400 THz (1 mm – 750 nm). Può essere diviso in tre parti:

• Lontano infrarosso, da 300 GHz a 30 THz (1 mm – 10 µm). La parte inferiore di questo intervallo può anche essere chiamata microonde o onde terahertz., Questa radiazione è tipicamente assorbita dai cosiddetti modi rotazionali nelle molecole in fase gassosa, dai moti molecolari nei liquidi e dai fononi nei solidi. L’acqua nell’atmosfera terrestre assorbe così fortemente in questo intervallo che rende l’atmosfera in effetti opaca. Tuttavia, ci sono alcuni intervalli di lunghezza d’onda (“finestre”) all’interno dell’intervallo opaco che consentono la trasmissione parziale e possono essere utilizzati per l’astronomia. La gamma di lunghezze d’onda da circa 200 µm fino a pochi mm è spesso indicata come astronomia Submillimetrica, riservando l’infrarosso lontano per lunghezze d’onda inferiori a 200 µm.,
• Medio infrarosso, da 30 a 120 THz (10-2, 5 µm). Gli oggetti caldi (radiatori a corpo nero) possono irradiarsi fortemente in questo intervallo e la pelle umana a temperatura corporea normale si irradia fortemente all’estremità inferiore di questa regione. Questa radiazione viene assorbita dalle vibrazioni molecolari, dove i diversi atomi di una molecola vibrano attorno alle loro posizioni di equilibrio. Questo intervallo è talvolta chiamato regione dell’impronta digitale, poiché lo spettro di assorbimento del medio infrarosso di un composto è molto specifico per quel composto.
• Vicino infrarosso, da 120 a 400 THz (2.500-750 nm)., I processi fisici rilevanti per questo intervallo sono simili a quelli per la luce visibile. Le frequenze più alte in questa regione possono essere rilevate direttamente da alcuni tipi di pellicole fotografiche e da molti tipi di sensori di immagine a stato solido per la fotografia a infrarossi e la videografia.

Luce visibile

Sopra infrarosso in frequenza viene luce visibile., Il Sole emette la sua potenza di picco nella regione visibile, anche se l’integrazione dell’intero spettro di potenza di emissione attraverso tutte le lunghezze d’onda mostra che il Sole emette leggermente più infrarosso della luce visibile. Per definizione, la luce visibile è la parte dello spettro EM a cui l’occhio umano è più sensibile. La luce visibile (e la luce del vicino infrarosso) è tipicamente assorbita ed emessa dagli elettroni in molecole e atomi che si muovono da un livello di energia all’altro. Questa azione consente i meccanismi chimici che sono alla base della visione umana e della fotosintesi delle piante., La luce che eccita il sistema visivo umano è una porzione molto piccola dello spettro elettromagnetico. Un arcobaleno mostra la parte ottica (visibile) dello spettro elettromagnetico; l’infrarosso (se potesse essere visto) si troverebbe appena oltre il lato rosso dell’arcobaleno con l’ultravioletto che appare appena oltre l’estremità viola.

La radiazione elettromagnetica con una lunghezza d’onda compresa tra 380 nm e 760 nm (400-790 terahertz) viene rilevata dall’occhio umano e percepita come luce visibile., Altre lunghezze d’onda, in particolare il vicino infrarosso (più lungo di 760 nm) e l’ultravioletto (più corto di 380 nm) sono talvolta indicati come luce, specialmente quando la visibilità per l’uomo non è rilevante. La luce bianca è una combinazione di luci di diverse lunghezze d’onda nello spettro visibile. Il passaggio della luce bianca attraverso un prisma la divide nei diversi colori della luce osservati nello spettro visibile tra 400 nm e 780 nm.,

Se la radiazione avente una frequenza nella regione visibile dello spettro EM riflette un oggetto, diciamo, una ciotola di frutta, e poi colpisce gli occhi, questo si traduce in percezione visiva della scena. Il sistema visivo del cervello elabora la moltitudine di frequenze riflesse in diverse tonalità e tonalità, e attraverso questo fenomeno psicofisico non sufficientemente compreso, la maggior parte delle persone percepisce una ciotola di frutta.

Alla maggior parte delle lunghezze d’onda, tuttavia, le informazioni trasportate dalla radiazione elettromagnetica non vengono rilevate direttamente dai sensi umani., Le fonti naturali producono radiazioni EM in tutto lo spettro e la tecnologia può anche manipolare un’ampia gamma di lunghezze d’onda. La fibra ottica trasmette luce che, sebbene non necessariamente nella parte visibile dello spettro (di solito è infrarossa), può trasportare informazioni. La modulazione è simile a quella utilizzata con le onde radio.

Radiazione ultravioletta

Segue in frequenza l’ultravioletto (UV)., La lunghezza d’onda dei raggi UV è più corta dell’estremità viola dello spettro visibile ma più lunga della radiografia.

UV è la radiazione di lunghezza d’onda più lunga i cui fotoni sono abbastanza energetici da ionizzare gli atomi, separando gli elettroni da essi e causando così reazioni chimiche. La radiazione UV a lunghezza d’onda corta e la radiazione a lunghezza d’onda più corta sopra di essa (raggi X e raggi gamma) sono chiamate radiazioni ionizzanti e l’esposizione ad esse può danneggiare i tessuti viventi, rendendoli pericolosi per la salute. UV può anche causare molte sostanze a brillare con luce visibile; questo è chiamato fluorescenza.,

Nella gamma media dei raggi UV, i raggi UV non possono ionizzare ma possono rompere i legami chimici, rendendo le molecole insolitamente reattive. La solarizzazione, ad esempio, è causata dagli effetti dirompenti delle radiazioni UV di fascia media sulle cellule della pelle, che è la causa principale del cancro della pelle. I raggi UV nella gamma media possono danneggiare irreparabilmente le molecole complesse del DNA nelle cellule che producono i dimeri della timina rendentegli un mutageno molto potente.,

Il Sole emette radiazioni UV significative (circa il 10% della sua potenza totale), tra cui UV a lunghezza d’onda estremamente corta che potrebbero potenzialmente distruggere la maggior parte della vita sulla terra (l’acqua dell’oceano fornirebbe una certa protezione per la vita lì). Tuttavia, la maggior parte delle lunghezze d’onda UV dannose del Sole vengono assorbite dall’atmosfera prima che raggiungano la superficie. La maggiore energia (lunghezza d’onda più breve) gamme di UV (chiamato “UV vuoto”) sono assorbiti da azoto e, a lunghezze d’onda più lunghe, da semplice ossigeno biatomico nell’aria., La maggior parte dell’UV nella gamma media di energia è bloccata dallo strato di ozono, che assorbe fortemente nell’importante intervallo 200-315 nm, la cui parte di energia inferiore è troppo lunga perché il diossigeno ordinario nell’aria possa assorbire. Questo lascia meno del 3% della luce solare al livello del mare in UV, con tutto questo resto alle energie più basse. Il resto è UV-A, insieme ad alcuni UV-B. La gamma di energia molto più bassa di UV tra 315 nm e la luce visibile (chiamata UV-A) non è bloccata bene dall’atmosfera, ma non causa scottature e fa meno danni biologici., Tuttavia, non è innocuo e crea radicali dell’ossigeno, mutazioni e danni alla pelle.

Raggi X

Dopo UV arrivano i raggi X, che, come le gamme superiori di UV sono anche ionizzanti. Tuttavia, a causa delle loro energie superiori, i raggi X possono anche interagire con la materia per mezzo dell’effetto Compton. I raggi X duri hanno lunghezze d’onda più corte dei raggi X molli e poiché possono passare attraverso molte sostanze con poco assorbimento, possono essere utilizzati per “vedere attraverso” oggetti con “spessori” inferiori a quelli equivalenti a pochi metri di acqua., Un uso notevole è l’imaging diagnostico a raggi X in medicina (un processo noto come radiografia). I raggi X sono utili come sonde nella fisica delle alte energie. In astronomia, i dischi di accrescimento attorno a stelle di neutroni e buchi neri emettono raggi X, consentendo studi di questi fenomeni. I raggi X sono emessi anche dalla corona stellare e sono fortemente emessi da alcuni tipi di nebulose., Tuttavia, i telescopi a raggi X devono essere posizionati al di fuori dell’atmosfera terrestre per vedere i raggi X astronomici, poiché la grande profondità dell’atmosfera terrestre è opaca ai raggi X (con densità areale di 1000 g/cm2), equivalente a 10 metri di spessore dell’acqua. Questa è una quantità sufficiente a bloccare quasi tutti i raggi X astronomici (e anche i raggi gamma astronomici—vedi sotto).

Raggi gamma

Dopo i raggi X duri arrivano i raggi gamma, che furono scoperti da Paul Ulrich Villard nel 1900., Questi sono i fotoni più energetici, non avendo un limite inferiore definito alla loro lunghezza d’onda. In astronomia sono preziosi per lo studio di oggetti o regioni ad alta energia, tuttavia come con i raggi X questo può essere fatto solo con telescopi al di fuori dell’atmosfera terrestre. I raggi gamma sono usati sperimentalmente dai fisici per la loro capacità penetrante e sono prodotti da un certo numero di radioisotopi. Sono utilizzati per l’irradiazione di alimenti e semi per la sterilizzazione e in medicina vengono occasionalmente utilizzati nella terapia del cancro alle radiazioni., Più comunemente, i raggi gamma sono utilizzati per la diagnostica per immagini in medicina nucleare, un esempio di scansioni PET. La lunghezza d’onda dei raggi gamma può essere misurata con elevata precisione attraverso gli effetti dello scattering Compton.