Ti permette di vedere o parlare con una persona cara in un altro angolo del mondo, e talvolta ti frigge dallo spazio esterno — è la radiazione elettromagnetica. E ‘ una cosa davvero elegante. Quindi, diamo un’occhiata a tutti i diversi tipi di radiazioni elettromagnetiche e perché sono tutti, in realtà, la stessa cosa.

Quando particelle cariche sotto forma di atomi (ioni) o particelle elementari (elettroni o protoni) ricevono abbastanza energia per muoversi e interagire con i loro coetanei, iniziano a creare campi magnetici ed elettrici. L’interazione tra questi due tipi di campi genera (non indovinerai mai) fenomeni elettromagnetici. Che è tutto molto buona notizia: elettromagnetismo (EM) è una delle forze fondamentali in natura, l’insieme di quattro leggi naturali che ha preso in carico dopo il Big Bang e plasmato il nostro universo in quello che è oggi.

Una fetta particolarmente interessante della torta EM è la radiazione elettromagnetica. Questi fenomeni attualmente detengono il record indiscusso per le cose più veloci di sempre. Quindi diamo un’occhiata a loro, a partire da:

Le basi

I fotoni sono probabilmente meglio conosciuti per il loro ruolo di particella “portatrice” di luce, ma questa è solo una parte del loro lavoro. Queste particelle elementari sono i portatori di energia per diversi altri tipi di onde, che insieme formano lo spettro radiativo elettromagnetico (EMR). Come ogni tipo di onda (sì, onde sull’acqua incluse) sono caratterizzate in parte da lunghezza d’onda e frequenza. In ordine di frequenza crescente / decrescente di lunghezza d’onda, che può essere:

• onde radio
• microonde
• la radiazione infrarossa
• luce visibile
• la radiazione ultravioletta
• i raggi-X
• raggi gamma

A prima vista, possono sembrare di essere selvaggiamente cose diverse. Come, i raggi X possono essere usati per scrutare attraverso la pelle, e gli ultravioletti ti danno un’abbronzatura e una bruciatura della pelle se non usi la protezione solare. Totalmente diverso, giusto?

Beh, non proprio. Pensate allo spettro delle radiazioni elettromagnetiche come una corda di chitarra allungata su otto tasti. Gioca la nota più bassa e si ottiene le onde radio, giocare quello più alto e si ottiene raggi gamma. Su una chitarra, diversi modelli vibrazionali nella corda emetteranno suoni distinti sotto forma di note — la nostra percezione di loro varia, ma sono tutti fondamentalmente la stessa cosa impostata su diverse impostazioni di intensità. Allo stesso modo, diversi modelli di oscillazione dei campi magnetici ed elettrici genereranno vari tipi di EMR. Li percepiamo come completamente diversi (alcuni che non possiamo percepire direttamente), ma sono tutti fondamentalmente gli stessi fenomeni su intensità diverse.

Una sorgente genera radiazioni EM quando c’è energia nel sistema perché è ciò che fa vibrare le particelle. Come regola generale, i corpi più caldi generano onde con più potenza e prevalentemente a frequenze più alte. La frequenza è misurata in hertz (Hz), che è definito come un ciclo al secondo. Una frequenza di un Hz significa che viene generata un’onda ogni secondo, un kHz significa che vengono generate 1.000 onde al secondo e un GHz corrisponde a un miliardo al secondo.

La lunghezza d’onda è uguale alla velocità sulla frequenza e di solito viene presa per rappresentare la distanza tra due creste successive. Tecnicamente, tuttavia, può essere misurato ovunque sull’onda.

Infine, la radiazione elettromagnetica si distingue dal resto dei fenomeni EM in quanto sono effetti di “campo lontano”. Queste onde non si limitano ad interagire con oggetti vicini, a differenza dell’effetto elettrostatico, per esempio. Una volta generate, le onde possono anche sfrecciare nello spazio (si “irradiano”, da cui deriva il termine “radiazione”) senza più input dalle cariche che le hanno generate. Quindi queste onde continueranno ad andare fino a quando non esauriranno l’energia — o perché colpiscono alcune particelle con cui possono interagire, o perché semplicemente svaniscono.

Così ora abbiamo un’idea di base di come si formano, fresco. Passiamo attraverso ogni tipo di onda.

Onde radio

Le onde radio hanno le frequenze più basse di tutti i tipi di EMR e i suoi fotoni trasportano la minor quantità di energia. Di solito, qualsiasi cosa tra 3kHz e 300 GHz è considerata un’onda radio, anche se alcune definizioni classificano qualsiasi cosa sopra 1 GHz o 3GHz come microonde. Questo rende le onde radio i bradipi di EMR. I fotoni delle onde radio sono distanziati tra loro-a 3khz, la lunghezza d’onda è lunga 100 km (62 mi), 1mm (0.039 in) a 300 GHz — il che significa che trasportano meno energia rispetto ad altri tipi di ER.

La loro interazione con la materia è in gran parte limitata alla creazione di un gruppo di cariche elettriche distribuite su molti atomi — quindi ogni carica è piuttosto piccola. È utile, tuttavia, poiché questa diffusione consente a un conduttore legato a un circuito di trasformare le onde radio in alcuni segnali elettrici. Coppia che con la loro velocità (tutte le onde EM viaggiano alla velocità della luce nel vuoto), e sono davvero buoni per le comunicazioni a lungo raggio.

In alternativa, se hai un conduttore che non è legato a un circuito, ad esempio un aereo in volo, la separazione di quelle cariche genererà nuove onde radio — questo è ciò che consente ai segnali radar di “riflettere” fuori dalle cose. L’assorbimento o l’emissione di onde radio produce sempre una corrente elettrica, calore o entrambi.

Microonde

Le microonde sono radiazioni elettromagnetiche con frequenze comprese tra 300 MHz (lunghezza d’onda 100 cm) e 300 GHz (0,1 cm). A parte i fotoni un po ‘più energetici e una lunghezza d’onda più corta (che significa più densità di energia), sono davvero un po’ -onde radio-ish. In effetti, le microonde sono ampiamente utilizzate anche nella comunicazione, ma con alcune differenze chiave dalle onde radio.

La prima è che hai bisogno di una linea di vista diretta verso il ricevitore, poiché le microonde non si piegano (diffrattano) intorno a colline o montagne, non riflettono indietro dalla ionosfera o seguono la curvatura del pianeta come onde di superficie. Ma imballano più di un pugno di onde radio e possono perforare attraverso alcune delle cose che la radio non può-come nuvole spesse o polvere-a causa della loro frequenza più elevata.

Le microonde sono utilizzate per trasmettere dati su reti wireless, per comunicare con satelliti e veicoli spaziali, in veicoli autonomi e classici per sistemi anticollisione, alcune reti radio, sistemi keyless entry e telecomandi per porte da garage.

Sono utili anche nei forni. Lo stesso processo che consente l’assorbimento delle onde radio per generare calore rende un forno a microonde 2.45 GHz (12cm) molto bravo a riscaldare l’acqua. E poiché il cibo ha sempre almeno un po ‘ d’acqua, significa che i forni a microonde sono un modo elegante per riscaldare il cibo.

Radiazione infrarossa

La fidanzata di formaggio film d’azione, infrarossi, o IR. Si tratta solo lungo dello spettro visibile, che va da 300 GHz (1mm) al limite inferiore visibile (il colore rosso) a 430 THz (700 nm). Questo è lo spettro su cui la maggior parte degli oggetti con cui interagirai irradia calore. A differenza delle radiazioni radio e microonde, la radiazione infrarossa interagisce con i dipoli (molecole chimiche fortemente polarizzate come l’acqua), il che significa che viene assorbita da una vasta gamma di sostanze — e quasi tutte le sostanze organiche — che trasformano la sua vibrazione in calore. Tuttavia, è vero anche il contrario, il che significa che le sostanze sfuse generalmente irradiano alcuni livelli di IR mentre rilasciano il loro calore.

Quindi non è molto buono per le comunicazioni a lungo raggio, dal momento che verrebbe assorbito dall’acqua nell’atmosfera. Ma il telecomando del televisore può utilizzare IR per emettere comandi su brevi distanze con grande successo. I rivelatori IR sono utili se stai cercando di vedere qualcosa che emana calore, come un ladro nel cuore della notte. L’infrarosso è anche usato in astronomia per scrutare le nuvole di polvere alla ricerca di pianeti, in applicazioni industriali per monitorare le perdite di calore o prevenire il surriscaldamento, nelle previsioni meteorologiche e in alcune applicazioni medicinali. L’esercito è anche, ovviamente, un grande fan di IR, usandolo sia per le osservazioni che per guidare le munizioni verso un bersaglio.

E come sanno gli amanti delle lucertole, la radiazione infrarossa è un ottimo modo per trasmettere calore dove è necessario. In realtà, questo è esattamente come la gente ha scoperto IR. Nel 1800, un astronomo di nome Sir William Herschel descrisse per la prima volta la radiazione IR osservando i suoi effetti su un termometro.

Come tutte le altre radiazioni elettromagnetiche, l’IR trasporta energia e si comporta sia come un’onda che come una particella quantistica, il fotone. Un po ‘ più della metà di tutta l’energia solare che raggiunge la Terra lo fa come radiazione infrarossa — ecco perché la luce solare si sente così caldo.

Luce visibile

Questo è l’intervallo di radiazione elettromagnetica che i tuoi occhi sono sintonizzati per raccogliere. La luce visibile copre lo spettro da 430-770 THz (da 390 a 700 nm). Vediamo colori diversi perché alcuni bit di questo spettro vengono assorbiti dagli oggetti e il resto viene riflesso. Perché qualcosa ti appaia rosso, deve assorbire le lunghezze d’onda che non corrispondono al colore e riflettere solo le lunghezze d’onda rosse per far sì che i tuoi occhi possano raccogliere.

Tuttavia, il colore può anche derivare dal modo in cui la luce interagisce con un particolare oggetto. Anche la trama di un oggetto viene creata con lo stesso meccanismo. La neve, ad esempio, sembra essere bianca, opaca e riflettente allo stesso tempo, ma i singoli cristalli di neve sembrano pezzi di vetro. Puoi scoprire perché qui.

Radiazione ultravioletta

Lo spettro EM sulla frequenza di 789 terahertz (THz) o più è chiamato ultravioletto. La luce ultravioletta è composta da onde molto corte, da 10 nm a 400 nm, e trasporta molta energia. Infatti, a partire dal bordo UV, i fotoni trasportano energia sufficiente per alterare alcuni legami chimici in nuove disposizioni. Che è l’inferno se sei una molecola di DNA solo cercando di preservare le informazioni. Ancora peggio per le cose viventi, alcuni sottotipi UV che non hanno abbastanza energia per danneggiare direttamente il DNA (come il sottotipo A) rappresentano ancora un rischio perché producono specie reattive dell’ossigeno all’interno del corpo, composti altamente reattivi che dirottano i legami chimici nel DNA.

Nel complesso, la radiazione UV è abbastanza energica che inizia ad essere un vero pericolo per la vita. Anche i raggi UV relativamente a bassa energia possono causare brutte ustioni cutanee, molto peggiori di quelle causate semplicemente dalla temperatura (poiché sono anche ustioni da radiazioni, come spiegato sopra). L’esposizione ai raggi UV ad alta energia può portare al cancro, poiché le onde devastano i filamenti di DNA.

Questa capacità di danneggiare gli organismi viventi sarà una caratteristica comune d’ora in poi, poiché le frequenze continueranno ad aumentare ulteriormente. Alle estremità più alte dello spettro UV (circa 125 nm o meno, a volte chiamato “UV estremo”), l’energia trasportata da queste onde è così alta che può effettivamente togliere gli elettroni dai gusci degli atomi in un processo chiamato fotoionizzazione.

Considerando che la radiazione UV costituisce circa il 10% della potenza luminosa totale del sole, causerebbe molti problemi a qualsiasi cosa viva sulla terra (poiché l’acqua fa un buon lavoro nell’assorbire i raggi UV). Fortunatamente per noi terrestri, siamo protetti dallo strato di ozono e dal resto dell’atmosfera, che filtrano la maggior parte dei raggi UV prima che causino danni reali.

Non sono tutte cattive notizie, tuttavia. La radiazione UV è la chiave per la sintesi della vitamina D nella maggior parte dei vertebrati terrestri, compresi gli esseri umani. I raggi UV sono utilizzati anche in fotografia e astronomia, in alcune applicazioni di sicurezza (per autenticare fatture o carte di credito), in medicina legale, come sterilizzatore e, naturalmente, su lettini abbronzanti.

Raggi X/Röntgen radiation

Con frequenze che vanno da 30 petahertz a 30 exahertz (‘peta’ significa 15 zeri, ‘exa’ significa 18 zeri) e lunghezze d’onda da 0,01 a 10 nanometri, i raggi X sono molto energetici. Quelli con lunghezze d’onda inferiori a 0,2–0.1 nm sono chiamati raggi X ‘duri’. I medici li usano per vedere le ossa all’interno del corpo perché sono così piccole e potenti che i nostri tessuti molli sono praticamente trasparenti per loro. Lo stesso vale con i bagagli in aeroporto — i raggi X duri possono vedere attraverso di loro. La loro lunghezza d’onda è paragonabile alla dimensione dei singoli atomi, motivo per cui i geologi li usano per determinare le strutture cristalline.

I raggi X (e i raggi gamma più energetici) sono costituiti da fotoni che trasportano tutti energia di ionizzazione minima (possono tutti fotoionizzare), e sono quindi chiamati radiazioni ionizzanti. Possono infliggere danni massicci a organismi e biomolecole, spesso colpendo i tessuti molto profondamente sotto la pelle poiché penetrano facilmente attraverso la maggior parte della materia.

Prendono il nome da Wilhelm Röntgen, lo scienziato tedesco che li scoprì l ‘ 8 novembre 1895. Röntgen stesso li chiamò radiazioni X perché era piuttosto misterioso all’epoca-nessuno capiva veramente cosa fosse questa radiazione o cosa facesse.

Raggi gamma

Questi sono gli EMR con i singoli fotoni ad energia più alta che conosciamo. Hanno frequenze superiori a 30 exahertz e lunghezze d’onda inferiori a 10 picometri (1 picometro è un millesimo di nanometro o un millesimo di miliardesimo di metro), che è inferiore al diametro di un atomo. Sono per lo più il risultato del decadimento radioattivo qui sulla Terra (come le bombe nucleari o Chernobyl), ma possono anche arrivare a raffiche di raggi gamma ridicolmente potenti, probabilmente il prodotto di stelle morenti che vanno in supernova o la più grande ipernova prima di collassare in stelle di neutroni o buchi neri. Sono il singolo tipo più mortale di radiazioni EM per gli organismi viventi. Fortunatamente, sono in gran parte assorbiti dall’atmosfera terrestre.

I raggi gamma artificiali sono talvolta usati per alterare l’aspetto delle pietre preziose, come trasformare il topazio bianco in topazio blu. Gli Stati Uniti stanno anche sperimentando il loro utilizzo per creare una sorta di macchina a raggi X con steroidi in grado di scansionare fino a 30 contenitori all’ora. Per avere un’idea di quanto siano ridicolmente penetranti i raggi gamma, sappi che le operazioni minerarie utilizzano generatori di raggi gamma per guardare attraverso enormi mucchi di minerale e selezionare il più ricco per l’elaborazione. Altri usi includono l’irradiazione (utilizzata per sterilizzare attrezzature mediche o prodotti alimentari), per uccidere i tumori del cancro e nella medicina nucleare.

In breve, queste sono le categorie che usiamo per descrivere la radiazione elettromagnetica. Hanno cose che gli piace passare attraverso, e le cose che riflettono da. Sono la luce che non puoi vedere e possono essere piacevoli, molto pericolose e, a volte, follemente mortali.