Spettro elettromagnetico: lo schema dalle onde radio ai raggi gamma

Cos’è lo spettro elettromagnetico

Secondo NASA e Goddard Space Flight Center, lo spettro elettromagnetico riunisce ogni forma conosciuta di radiazione elettromagnetica. Non è una sola cosa, ma una famiglia: comprende le onde radio, le microonde, l’infrarosso, la luce visibile, l’ultravioletto, i raggi X e i raggi gamma. Tutte queste radiazioni viaggiano come un flusso di fotoni, particelle senza massa che si muovono alla velocità della luce e che, secondo la stessa fonte, si comportano in parte come onde e in parte come particelle.

Ogni fotone trasporta una quantità precisa di energia, e sono proprio le diverse quantità di energia dei fotoni a definire i diversi tipi di radiazione. I fotoni a bassa energia, come quelli delle onde radio, si comportano più come onde; quelli ad alta energia, come i raggi X, si comportano più come particelle. La radiazione elettromagnetica ha origine nei fenomeni elettrici e magnetici, lo stesso principio di fondo che muove la corrente elettrica nei circuiti.

Frequenza, lunghezza d’onda e velocità della luce

Tre grandezze descrivono la stessa radiazione da punti di vista diversi: l’energia, la lunghezza d’onda e la frequenza. La lunghezza d’onda è la distanza tra due creste successive dell’onda; la frequenza è il numero di creste che passano per un punto fisso in un secondo. Sono legate tra loro da una relazione matematica precisa, al punto che conoscere una delle tre permette di ricavare le altre due.

Le onde radio viaggiano alla stessa velocità della luce: 299.792.458 metri al secondo nel vuoto, secondo NASA e Goddard Space Flight Center. È un dettaglio che conferma sperimentalmente la teoria dell’elettromagnetismo formulata da James Clerk Maxwell nell’Ottocento, che per primo aveva previsto l’esistenza di queste onde.

A parità di altre condizioni, l’energia della radiazione aumenta quando la lunghezza d’onda si riduce, cioè quando la frequenza aumenta. È la regola che ordina tutto lo spettro: le onde radio, con le lunghezze d’onda più lunghe, hanno l’energia più bassa; i raggi gamma, con le lunghezze d’onda più corte, hanno l’energia più alta.

Esempio pratico: un telecomando TV emette infrarosso a circa 940 nanometri, appena oltre quello che l’occhio umano riesce a percepire. È per questo che non si vede nessuna luce quando si preme un tasto, eppure il televisore riceve comunque il segnale: la fotocamera di un telefono, meno selettiva dell’occhio, a volte riesce a catturarla.

Dalle onde radio ai raggi gamma: le sette bande

Le bande dello spettro si susseguono in ordine di energia crescente del fotone: onde radio, microonde, infrarosso, luce visibile, ultravioletto, raggi X e, in cima a tutte, i raggi gamma.

Le onde radio hanno le lunghezze d’onda più lunghe dello spettro, da pochi metri, la lunghezza di un campo da football secondo la NASA, a dimensioni più grandi del pianeta Terra. Sintonizzare una radio su una lunghezza d’onda specifica permette di ascoltare una trasmissione, ed è lo stesso principio che usano i radiotelescopi per osservare pianeti, comete, nubi di gas e polvere, stelle e galassie. Nel 1932 Karl Jansky, dei Bell Labs, scoprì che le stelle e altri oggetti nello spazio emettono onde radio, dando inizio alla radioastronomia.

Le microonde hanno lunghezze d’onda più corte. Il forno a microonde usa microonde di circa 12 centimetri di lunghezza d’onda per far ruotare le molecole d’acqua e di grasso nel cibo, scaldandolo; le immagini radar Doppler delle previsioni meteo e la maggior parte dei satelliti per telecomunicazioni, che usano le bande C, X e Ku, si basano sulla stessa radiazione.

L’infrarosso comincia dove finisce la banda radio-microonde e arriva fino al confine della luce visibile. La porzione compresa tra 8 e 15 micrometri è chiamata dagli scienziati “infrarosso termico”; i telecomandi la usano per cambiare canale alla TV, mentre visori notturni e termocamere rilevano l’infrarosso emesso dai corpi caldi, permettendo la termografia.

La luce visibile è la banda più familiare, ma anche la più piccola: l’occhio umano percepisce tipicamente lunghezze d’onda comprese tra 380 e 700 nanometri. Dentro questo intervallo, il violetto ha la lunghezza d’onda più corta, intorno ai 380 nanometri, e il rosso la più lunga, intorno ai 700.

Banda	Lunghezza d’onda	Energia relativa	Un uso
Onde radio	Da pochi metri a più della Terra	La più bassa dello spettro	Telecomunicazioni, radiotelescopi
Microonde	Decine di centimetri	Bassa	Forno a microonde, radar meteo
Infrarosso	8-15 micrometri (termico)	Medio-bassa	Telecomandi, termocamere
Luce visibile	380-700 nanometri	Media	Visione umana
Ultravioletto	Oltre il visibile, in parte bloccato dall’ozono	Medio-alta	Studio della formazione stellare
Raggi X	0,03-3 nanometri	Alta	Radiografia medica, telescopi spaziali
Raggi gamma	Le più corte dello spettro	La più alta di tutte	Decadimento radioattivo, astrofisica

Ultravioletto: la banda che segna il confine

L’ultravioletto merita un passaggio a parte, perché dentro la stessa banda convivono effetti molto diversi. I raggi UV-B provocano le scottature solari e la loro esposizione aumenta il rischio di danni al DNA e alle cellule degli organismi viventi, lo stesso tipo di danno che rende delicato il materiale genetico descritto nel Recap sul DNA; circa il 95% dei raggi UV-B viene però assorbito dall’ozono dell’atmosfera terrestre prima di arrivare al suolo. Chi vuole vedere come la pelle reagisce a questa radiazione può leggere il Recap sull’abbronzatura, che ne ripercorre il meccanismo.

I raggi UV-C sono la componente più dannosa dell’ultravioletto, ma vengono assorbiti quasi completamente dall’atmosfera terrestre, e per questo non raggiungono quasi mai il suolo per via naturale. L’ultravioletto non è solo un rischio da gestire: gli scienziati lo usano anche per studiare la formazione delle stelle, perché le stelle giovani emettono la maggior parte della loro luce proprio in queste lunghezze d’onda.

Raggi X e raggi gamma: le bande più energiche

I raggi X hanno lunghezze d’onda molto piccole, comprese tra 0,03 e 3 nanometri, con energia molto più alta e lunghezze d’onda molto più corte della luce ultravioletta. Nella radiografia medica una pellicola sensibile ai raggi X viene posta da un lato del corpo: i raggi X attraversano i tessuti, e le ossa, più dense, ne assorbono più della pelle, lasciando un’ombra sulla pellicola. È lo stesso principio che, su scala cosmica, sfruttano i telescopi a raggi X nello spazio, che raccolgono fotoni da regioni del cielo e forniscono indizi sulla composizione, la temperatura e la densità di ambienti celesti lontani.

I raggi gamma chiudono lo spettro con le lunghezze d’onda più piccole e l’energia più alta tra tutte le radiazioni elettromagnetiche. Nello spazio sono prodotti dagli oggetti più caldi ed energetici dell’universo, come stelle di neutroni, pulsar, esplosioni di supernova e regioni vicine ai buchi neri; secondo la NASA, i lampi di raggi gamma sono gli eventi elettromagnetici più energetici e luminosi osservati dopo il Big Bang. Sulla Terra, invece, i raggi gamma nascono più spesso dal decadimento radioattivo, oltre che da esplosioni nucleari e fulmini. Gli scienziati li usano anche per individuare gli elementi chimici presenti su altri pianeti, come nelle missioni MESSENGER e Mars Odyssey citate dalla NASA.

Dove inizia la radiazione ionizzante

Non tutto lo spettro elettromagnetico comporta lo stesso tipo di rischio. I raggi gamma, i raggi X e una parte dell’ultravioletto sono radiazioni “ionizzanti”: secondo la NASA hanno energia sufficiente a staccare elettroni dagli atomi, un processo che può danneggiare le molecole delle cellule viventi. Le onde radio, le microonde, l’infrarosso e la luce visibile restano sotto quella soglia di energia e non producono questo effetto.

La distinzione conta più del nome della banda. Dire che una radiazione è “ultravioletta” non basta a sapere se è ionizzante, perché dentro l’ultravioletto convivono componenti diverse: servono la lunghezza d’onda e l’energia del fotone per saperlo con precisione, non l’etichetta della banda da sola.