Onde elettromagnetiche

Tutti le radiazioni di energia conosciute e misurabili, ad eccezione dei raggi di particelle dirette (ad esempio, elettroni o raggi alfa), sono onde elettromagnetiche. La diversità delle onde elettromagnetiche è dovuta solo alle loro diverse lunghezze d'onda. Le onde elettromagnetiche comprendono le onde radio, le onde radiotelevisive, le radiazioni dei telefoni cellulari, le microonde, le radiazioni termiche, la luce con i suoi vari colori, i raggi UV, i raggi X e i raggi gamma.

Proprietà delle onde elettromagnetiche

Mentre le onde radio e tutte le onde radiotelevisive possono avere una lunghezza d'onda che va da meno di un metro a molti metri, la lunghezza d'onda tipica delle radiazioni dei telefoni cellulari è dell'ordine di 10 cm, seguita dalle microonde di lunghezza d'onda ancora più breve di mm e cm. Tra i mm e i µm, la radiazione elettromagnetica viene percepita come calore sulla pelle. Nell'intervallo inferiore a 1 µm, la radiazione diventa visibile come colore rosso intorno ai 700 nm, per poi assumere i colori giallo, verde e blu man mano che la lunghezza d'onda diminuisce, fino a quando le onde al di sotto dei 350 nm diventano nuovamente invisibili come luce ultravioletta. I raggi X sono più corti di 1 nm e alla fine si trasformano in raggi gamma di lunghezza d'onda ancora più corta.

Oltre alla lunghezza d'onda, ogni onda è caratterizzata dall'ampiezza, cioè dall'altezza delle creste dell'onda. Il quadrato dell'ampiezza dell'onda è proporzionale all'intensità della radiazione incidente. Ciò significa che l'ampiezza delle onde luminose aumenta di dieci volte se l'intensità di un fascio di luce aumenta di cento volte.

Le onde elettromagnetiche si propagano nel vuoto e approssimativamente anche nell'aria alla velocità della luce c = 3•10⁸ m/s. Ciò significa che la radiazione elettromagnetica percorre 300 000 km in un secondo, cioè una distanza corrispondente a circa 7,5 volte la circonferenza della Terra all'equatore.

Significato delle equazioni di Maxwell

Le onde elettromagnetiche sono descritte matematicamente dall'elettrodinamica. Con l'aiuto delle equazioni di Maxwell, l'esistenza delle onde elettromagnetiche è stata addirittura prevista e calcolata prima della prova sperimentale dell'esistenza delle onde elettromagnetiche (ad esempio, dimostrando la radiazione di energia da un'antenna in cui gli elettroni oscillano avanti e indietro).

Analizzando con precisione le equazioni di Maxwell, si può dimostrare che le onde elettromagnetiche sono costituite da campi magnetici ed elettrici oscillanti, perpendicolari tra loro e che si generano a vicenda. Durante la propagazione, un'oscillazione del campo elettrico genera un campo magnetico, che a sua volta genera un campo elettrico.

Propagazione delle onde elettromagnetiche

Nella seguente illustrazione, le onde elettriche e magnetiche sono rappresentate come oscillazioni di corda che si propagano in una certa direzione spaziale. Si tratta di un'immagine molto semplificata. Le oscillazioni elettromagnetiche, infatti, riempiono l'intero spazio tridimensionale. L'immagine mostrata nella figura è quindi più simile all'intensità dei campi elettrici e magnetici lungo una linea immaginaria.

Le onde elettromagnetiche nella teoria quantistica

La teoria quantistica ha dimostrato che le onde elettromagnetiche si presentano solo come pacchetti con una certa energia minima. L'immagine delle onde elettromagnetiche è stata sostituita da un'immagine di pacchetti di onde elettromagnetiche, che possono comportarsi sia come particelle sia come onde. Più breve è la lunghezza d'onda, maggiore è l'energia di un pacchetto di onde. È per questo che i quanti di raggi X e di radiazioni gamma (radiazioni elettromagnetiche radioattive) a onde molto corte sono molto ricchi di energia e di conseguenza distruttivi per la materia.