Cos’hanno in comune il Sole, il micro-onde e i raggi X?

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Domanda: cos’è la luce? Dov’è la luce? Risposta: beh, la luce è….la luce è quella delle lampadine o la luce del Sole, che razza di domanda è mai questa? Risposta quasi esatta….Perché quella di Sole e lampadine è solo la luce visibile, ossia quella che i nostri occhi riescono a “captare” e tradurre in immagini nel nostro cervello. Ma esiste anche molta altra luce che non riusciamo a vedere: luce invisibile…

La lunghezza d'onda è la distanza tra due creste (o picchi)

La luce (visibile ed invisibile) è una radiazione elettromagnetica ossia un’onda che si muove nello spazio trasportando energia. Quando si parla di onde, bisogna parlare di lunghezza d’onda che è la distanza tra due picchi (o due valli) dell’onda. Più piccola è la lunghezza d’onda, più è grande l’energia associata all’onda. Quindi onde elettromagnetiche molto energetiche hanno lunghezze d’onda molto piccole.

La luce visibile ha una lunghezza d’onda compresa tra circa 400 e 700 nanometri (nm), ossia nell’ordine di qualche milardesimo di metro, più o meno un duecentesimo di capello: prendete un capello, lo dividete in 200 pezzettini ed ognuno di questi è grande come la lunghezza d’onda della luce visibile. In natura esistono però onde elettromagnetiche aventi lunghezza d’onda molto, molto diverse che vanno dalle decine di metri ai bilionesimi di metro. L’insieme di tutte queste onde si chiama spettro elettromagnetico. Un esempio di onde aventi lunghezza d’onda di decine di metri sono le onde radio, mentre onde con lunghezze d’onda molto piccole sono i raggi X o i raggi gamma.

Lo spettro elettromagnetico: la lunghezza d'onda diminuisce da sinistra verso destra

La luce visibile è quindi semplicemente una piccola frazione di questo spettro a cui appartengono anche le onde che ci permettono di parlare al cellulare, vedere la TV, scaldare i cibi nel micro-onde, i raggi ultravioletti, i raggi X, ecc. E’ la stessa identica famiglia! L’unica cosa che differenzia le varie onde è la lunghezza d’onda (e conseguentemente l’energia). Come se l’onda radio fosse una persoma con i capelli biondi e la luce della lampadina una con i capelli mori: entrambi sono esseri umani che però si distinguono per una caratteristica.

L'occhio non è in grado di rilevare le lunghezza d'onda dei raggi infrarossi che possono essere "visti" solo con speciali visori che li convertono in segnali da noi interpretabili

Il valore della lunghezza d’onda ha tuttavia una grande importanza, perché determina come l’onda interagisce con l’ambiente circostante (compreso con noi esseri umani) e a cosa può esserci utile. In particolare la luce visibile è “visibile” perché il nostro occhio è fatto “per rilevare” proprio quelle lunghezze d’onda, mentre non è in grado di fare lo stesso con altre. Ad esempio i raggi infrarossi – emessi da qualsiasi oggetto caldo (compreso il nostro corpo) – hanno una lunghezza d’onda che il nostro occhio non è in grado di rilevare e quindi non li vediamo.

I colori sono la maniera con la quale il nostro cervello interpreta le diverse lunghezze d’onda della luce visibile. In particolare un oggetto è rosso perché assorbe tutte le lunghezze d’onda tranne quella corrispondente al rosso (circa 650 nm.) che viene riflessa (o riemessa) ed arriva ai nostri occhi. Ad esempio un limone invece assorbe tutta la luce visibile tranne quella di circa 580 nm. (il giallo). Invece un oggetto è nero perché assorbe le radiazioni di tutte le lunghezze d’onda nel visibile (useremo in questo contesto “radiazione” ed “onda” come sinonimi), mentre uno bianco le riflette tutte ed il loro insieme viene “visto” dal nostro occhio come il colore bianco. Insomma ad ogni colore corrisponde una lunghezza d’onda.

La parte di spettro elettromagnetico corrispondente alla luce visibile

Come si nota dalla figura dello spettro visibile, a destra del viola (o violetto) che è il colore a lunghezza d’onda più bassa nel visibile (e quindi ad energia più alta), ci sono le radiazioni ultra-violette ossia “oltre il violetto”, mentre a sinistra del rosso che è il colore meno energetico, ci sono i raggi infrarossi, ossia “sotto il rosso”.

La fonte di luce visibile per eccellenza è ovviamente il Sole. In realtà il Sole emette radiazioni di lunghezze d’onda molto diverse. Alcune vengono bloccate dall’atmosfera, tra cui buona parte delle pericolose radiazioni ultraviolette (dal famoso strato di ozono, leggi qui l’articolo dell’Undici), ma quelle che arrivano sulla Terra con maggiore intensità sono proprio quelle che il nostro occhio riesce a captare. Non è un caso ovviamente: l’evoluzione (o Dio per chi ci crede) ha favorito lo svilupparsi di rivelatori (occhi) capaci di rilevare le lunghezze d’onda che più di ogni altre il Sole manda sulla Terra, e non quelle che non ci arrivano.

Il cielo è blu perché la luce della lunghezza d'onda corrispondente a questo colore viene diffusa in tutte le direzioni dall'atmosfera

La luce del Sole che arriva sulla Terra è quindi luce bianca, ossia composta da tutte le lunghezze d’onda (colori) del visibile il cui mescolamento – come sanno anche i bambini – produce il colore bianco. E allora perché il cielo è blu? Beh, questo è dovuto al fatto che la luce blu ha una lunghezza d’onda di dimensioni tali per cui quando colpisce le molecole di gas dell’atmosfera, viene diffusa in tutte le direzioni. La luce rossa, arancione e gialla hanno invece una lunghezza d’onda più grande e proseguono in direzione rettilinea nell’atmosfera senza essere influenzate dalle molecole di gas che sono più piccole. Il cielo è quindi blu perché dovunque guardiamo in cielo, i nostri occhi rilevano radiazione della lunghezza d’onda corrispondente al blu.

Ma, oltre alla luce visibile, siamo circondati da tante altre onde elettromagnetiche: ci nuotiamo dentro. Le onde sono difatti diventate uno strumento fondamentale per studiare il mondo e soprattutto per comunicare. Nel 1876 il fisico tedesco Hertz fu il primo in grado di produrre onde elettromagnetiche. Pochi anni dopo, Guglielmo Marconi comprese che esse potevano essere utilizzate per trasmettere suono ed informazioni a grande distanza: era nata la radio. Le onde elettromagnetiche della radio FM ad esempio hanno una lunghezza d’onda molto più grande della luce visibile (circa 10 metri) e sono quindi molto meno energetiche, e stanno all’estrema sinistra dello spettro elettromagnetico (vedi figure).

Lo spettro elettromagnetico con indicate lunghezze d'onda (e oggetti familiari delle stesse dimensioni) e corrispondenti frequenze

La radio ebbe subito un enorme diffusione, tanto che nel 1912 gli Stati Uniti decisero che era giunto il momento di regolamentare lo spettro elettromagnetico, vendendone pezzi. In altre parole da allora, chi vuole emettere segnali radio deve comprarsi una licenza. Lo stesso vale per la televisione e le onde che trasmettono i segnali dei telefonini che sono a lunghezze d’onda un po’ più corte. In questi casi si sente parlare di frequenza (dell’onda) che è una grandezza inversamente proporzionale alla lunghezza d’onda (più grande è la lunghezza d’onda più piccola è la frequenza), ma il concetto è il medesimo. E’ inoltre normale che ogni Stato riservi pezzi dello spettro per comunicazioni militari segrete. Insomma: a vederla con uno sguardo benevolo si può dire che gli Stati regolamentano un qualcosa di naturale come le onde; con uno malevolo verrebbe da dire che ci fanno i soldi.

Quando “cerchiamo le stazioni” con un apparecchio radio non facciamo altro se non esplorare un pezzo di spettro elettromagnetico con un rilevatore che rileva le varie frequenze (o lunghezze d’onda che è lo stesso) emesse dalla stazione emittente (Radio Tre, Radio DJ, ecc.).

Fibra ottica

Anche internet funziona grazie alla luce. Se siete davanti ad un computer, le parole che state leggendo sul vostro monitor sono partite dal server che ospita L’Undici e sono arrivate al vostro router attraverso un cavo di fibra ottica che è una serie di sottilissimi filamenti di vetro (ricoperti da una protezione di plastica) dentro ai quali si muove un onda elettromagnetica di lunghezza d’onda di 1550 nm (nella regione dei raggi infrarossi). I cavi di fibra ottica sono anche sul fondo degli oceani e consentono le comunicazioni intercontinentali. All’interno di questi filamenti viene sparato da un laser un fascio di luce (che contiene l’informazione poi decodificata in parole sullo schermo) che rimbalza sulle pareti del filamento di vetro senza uscirne mai, fino a quando raggiunge la sua destinazione.

Nonostante il suo funzionamento e le sue caratteristiche siano un po’ particolari, anche il laser è luce (clicca qui per leggere l’articolo dell’Undici sul laser) in quanto produce onde elettromagnetiche che possono essere luce visibile (come una lampadina per intenderci), ma anche invisibile. Ed è proprio grazie al laser (e quindi alla luce) che possiamo ascoltare un cd, vedere un dvd, utilizzare una stampante o lo scanner che legge i prezzi al supermercato.

Anche il radar funziona grazie ad onde elettromagnetiche così come – lo dice la parola stessa – il forno a micro-onde che fu messo a punto proprio durante ricerche per il radar. Nel forno a micro-onde vengono prodotte onde di lunghezza d’onda di circa 12 cm. che fanno vibrare le molecole d’acqua contenute nei cibi. Questa vibrazione genera calore che riscalda “dall’interno” i cibi o le bevande, al contrario del forno tradizionale che cuoce gli alimenti “dall’esterno”.

Anche i raggi X ed i raggi ultravioletti sono onde elettromagnetiche come tutte quelle viste sinora, solo che trasportano un’energia più alta di quella della luce visibile e per questo sono pericolosi per il nostro organismo. Queste radiazioni – così come i raggi gamma e cosmici (ancora più energetici e pericolosi) – sono schermate dall’atmosfera e non arrivano sulla Terra. In definitiva, il nostro organismo si è sviluppato per interagire con le onde elettromagnetiche che riescono a passare l’atmosfera (la luce visibile) senza necessità di protezione per quelle che dall’atmosfera vengono bloccate.

Per concludere: una piccola, ma necessaria complicazione. Abbiamo finora parlato solo di onde. In realtà, secondo la meccanica quantistica, ogni onda ha anche una natura corpuscolare; ossia le onde elettromagnetiche (luce visibile compresa) sono sia onde che particelle, a seconda di come si decide di osservarle. La luce (visibile ed invisibile) può essere quindi vista anche come fasci di fotoni che sono le particelle elementari della radiazione elettromagnetica.

La luce ci si rivela sia come onda, sia come particelle, a seconda di come la osserviamo

Per complicare ancora di più, ogni oggetto (anche noi stessi) è anche un’onda. Se questa dualità non ha alcuna rilevanza nel mondo macroscopico, essa è invece verificabile sperimentalmente ed importantissima nel mondo microscopico e costituisce uno degli aspetti più affascinanti della meccanica quantistica (leggi qui l’articolo dell’Undici).

Un’ultima cosa: gli occhiali per vedere attraverso i vestiti non esistono. Almeno per ora…