Radiazione elettromagnetica
TheoryEdit
Equazioni di MaxwellModifica
James Clerk Maxwell ha derivato una forma d’onda delle equazioni elettriche e magnetiche, scoprendo così la natura ondulatoria dei campi elettrici e magnetici e la loro simmetria. Poiché la velocità delle onde EM prevista dall’equazione d’onda coincideva con la velocità misurata della luce, Maxwell concluse che la luce stessa è un’onda EM. Le equazioni di Maxwell furono confermate da Heinrich Hertz attraverso esperimenti con le onde radio.
Secondo le equazioni di Maxwell, un campo elettrico che varia nello spazio è sempre associato a un campo magnetico che cambia nel tempo. Allo stesso modo, un campo magnetico spazialmente variabile è associato a specifici cambiamenti nel tempo del campo elettrico. In un’onda elettromagnetica, i cambiamenti nel campo elettrico sono sempre accompagnati da un’onda nel campo magnetico in una direzione, e viceversa. Questa relazione tra i due si verifica senza che nessuno dei due tipi di campo causi l’altro; piuttosto, si verificano insieme nello stesso modo in cui i cambiamenti di tempo e spazio si verificano insieme e sono interconnessi nella relatività speciale. Infatti, i campi magnetici possono essere visti come campi elettrici in un altro quadro di riferimento, e i campi elettrici possono essere visti come campi magnetici in un altro quadro di riferimento, ma hanno lo stesso significato perché la fisica è la stessa in tutti i quadri di riferimento, quindi la stretta relazione tra i cambiamenti di spazio e tempo qui è più di un’analogia. Insieme, questi campi formano un’onda elettromagnetica che si propaga nello spazio e che non ha bisogno di interagire nuovamente con la sorgente. Il campo EM lontano formato in questo modo dall’accelerazione di una carica porta con sé energia che si “irradia” attraverso lo spazio, da cui il termine.
Campi vicini e lontaniModifica
Le equazioni di Maxwell hanno stabilito che alcune cariche e correnti (“fonti”) producono un tipo locale di campo elettromagnetico vicino a loro che non ha il comportamento della EMR. Le correnti producono direttamente un campo magnetico, ma è di tipo dipolo magnetico che si estingue con la distanza dalla corrente. In modo simile, le cariche in movimento spinte a parte in un conduttore da un potenziale elettrico che cambia (come in un’antenna) producono un campo elettrico di tipo dipolare, ma anche questo diminuisce con la distanza. Questi campi costituiscono il campo vicino alla sorgente EMR. Nessuno di questi comportamenti è responsabile della radiazione EM. Invece, causano un comportamento del campo elettromagnetico che trasferisce in modo efficiente la potenza a un ricevitore molto vicino alla fonte, come l’induzione magnetica all’interno di un trasformatore, o il comportamento di feedback che avviene vicino alla bobina di un metal detector. Tipicamente, i campi vicini hanno un potente effetto sulle loro stesse sorgenti, causando un aumento del “carico” (diminuzione della reattanza elettrica) nella sorgente o nel trasmettitore, ogni volta che l’energia viene prelevata dal campo EM da un ricevitore. Altrimenti, questi campi non si “propagano” liberamente nello spazio, portando via la loro energia senza limiti di distanza, ma piuttosto oscillano, restituendo la loro energia al trasmettitore se non viene ricevuta da un ricevitore.
Al contrario, il campo lontano EM è composto da radiazioni che sono libere dal trasmettitore, nel senso che (a differenza del caso in un trasformatore elettrico) il trasmettitore richiede la stessa potenza per inviare questi cambiamenti nei campi fuori, sia che il segnale sia immediatamente raccolto o meno. Questa parte lontana del campo elettromagnetico è la “radiazione elettromagnetica” (chiamata anche campo lontano). I campi lontani si propagano (irradiano) senza che il trasmettitore li influenzi. Questo li rende indipendenti nel senso che la loro esistenza e la loro energia, dopo che hanno lasciato il trasmettitore, è completamente indipendente sia dal trasmettitore che dal ricevitore. A causa della conservazione dell’energia, la quantità di potenza che passa attraverso qualsiasi superficie sferica disegnata intorno alla sorgente è la stessa. Poiché tale superficie ha un’area proporzionale al quadrato della sua distanza dalla sorgente, la densità di potenza della radiazione EM diminuisce sempre con l’inverso del quadrato della distanza dalla sorgente; questa è chiamata legge dell’inverso del quadrato. Questo è in contrasto con le parti di dipolo del campo EM vicino alla sorgente (il campo vicino), che variano in potenza secondo una legge di potenza al cubo inversa, e quindi non trasportano una quantità conservata di energia sulle distanze, ma invece svaniscono con la distanza, con la sua energia (come notato) che ritorna rapidamente al trasmettitore o assorbita da un ricevitore vicino (come una bobina secondaria del trasformatore).
Il campo lontano (EMR) dipende da un meccanismo diverso per la sua produzione rispetto al campo vicino, e da termini diversi nelle equazioni di Maxwell. Mentre la parte magnetica del campo vicino è dovuta alle correnti nella sorgente, il campo magnetico nell’EMR è dovuto solo al cambiamento locale del campo elettrico. In modo simile, mentre il campo elettrico nel campo vicino è dovuto direttamente alle cariche e alla separazione delle cariche nella sorgente, il campo elettrico nell’EMR è dovuto a un cambiamento nel campo magnetico locale. Entrambi i processi per la produzione di campi elettrici e magnetici EMR hanno una diversa dipendenza dalla distanza rispetto ai campi elettrici e magnetici del campo vicino. Questo è il motivo per cui il tipo di campo EMR diventa dominante nella potenza “lontano” dalle fonti. Il termine “lontano dalle sorgenti” si riferisce a quanto lontano dalla sorgente (che si muove alla velocità della luce) si trova qualsiasi porzione del campo EM in movimento verso l’esterno, nel momento in cui le correnti della sorgente sono cambiate dal potenziale variabile della sorgente, e la sorgente ha quindi iniziato a generare un campo EM in movimento verso l’esterno di una fase diversa.
Una visione più compatta dell’EMR è che il campo lontano che compone l’EMR è generalmente quella parte del campo EM che ha viaggiato a distanza sufficiente dalla sorgente, che è diventato completamente scollegato da qualsiasi feedback alle cariche e alle correnti che erano originariamente responsabili di esso. Ora indipendente dalle cariche della sorgente, il campo EM, man mano che si allontana, dipende solo dalle accelerazioni delle cariche che lo hanno prodotto. Non ha più una forte connessione con i campi diretti delle cariche, o con la velocità delle cariche (correnti).
Nella formulazione del potenziale di Liénard-Wiechert dei campi elettrici e magnetici dovuti al moto di una singola particella (secondo le equazioni di Maxwell), i termini associati all’accelerazione della particella sono quelli che sono responsabili della parte del campo che viene considerata come radiazione elettromagnetica. Al contrario, il termine associato al cambiamento del campo elettrico statico della particella e il termine magnetico che risulta dalla velocità uniforme della particella, sono entrambi associati al campo vicino elettromagnetico, e non comprendono la radiazione EM.
ProprietàModifica
L’elettrodinamica è la fisica della radiazione elettromagnetica, e l’elettromagnetismo è il fenomeno fisico associato alla teoria dell’elettrodinamica. I campi elettrici e magnetici obbediscono alle proprietà di sovrapposizione. Così, un campo dovuto a qualsiasi particolare particella o campo elettrico o magnetico variabile nel tempo contribuisce ai campi presenti nello stesso spazio dovuti ad altre cause. Inoltre, essendo campi vettoriali, tutti i vettori dei campi magnetici ed elettrici si sommano secondo l’addizione vettoriale. Per esempio, in ottica due o più onde luminose coerenti possono interagire e per interferenza costruttiva o distruttiva produrre un irraggiamento risultante che si discosta dalla somma degli irraggiamenti componenti delle singole onde luminose.
I campi elettromagnetici della luce non sono influenzati dal viaggio attraverso campi elettrici o magnetici statici in un mezzo lineare come il vuoto. Tuttavia, in mezzi non lineari, come alcuni cristalli, possono verificarsi interazioni tra la luce e i campi elettrici e magnetici statici – queste interazioni includono l’effetto Faraday e l’effetto Kerr.
Nella rifrazione, un’onda che passa da un mezzo a un altro di densità diversa altera la sua velocità e direzione quando entra nel nuovo mezzo. Il rapporto tra gli indici di rifrazione dei mezzi determina il grado di rifrazione, ed è riassunto dalla legge di Snell. La luce di lunghezze d’onda composte (luce solare naturale) si disperde in uno spettro visibile passando attraverso un prisma, a causa dell’indice di rifrazione dipendente dalla lunghezza d’onda del materiale del prisma (dispersione); cioè, ogni onda componente all’interno della luce composita è piegata in modo diverso.
La radiazione EM esibisce proprietà d’onda e proprietà di particella allo stesso tempo (vedi dualità onda-particella). Entrambe le caratteristiche di onda e di particella sono state confermate in molti esperimenti. Le caratteristiche delle onde sono più evidenti quando la radiazione EM viene misurata su tempi relativamente grandi e su grandi distanze, mentre le caratteristiche delle particelle sono più evidenti quando si misurano tempi e distanze piccole. Per esempio, quando la radiazione elettromagnetica viene assorbita dalla materia, le proprietà simili alle particelle saranno più evidenti quando il numero medio di fotoni nel cubo della lunghezza d’onda in questione è molto più piccolo di 1. Non è così difficile osservare sperimentalmente la deposizione non uniforme di energia quando la luce viene assorbita, tuttavia questo da solo non è prova di un comportamento “particellare”. Piuttosto, riflette la natura quantistica della materia. Dimostrare che la luce stessa è quantizzata, non solo la sua interazione con la materia, è un affare più sottile.
Alcuni esperimenti mostrano sia la natura di onda che di particella delle onde elettromagnetiche, come l’autointerferenza di un singolo fotone. Quando un singolo fotone viene inviato attraverso un interferometro, passa attraverso entrambi i percorsi, interferendo con se stesso, come fanno le onde, ma viene rilevato da un fotomoltiplicatore o da un altro rivelatore sensibile solo una volta.
Una teoria quantistica dell’interazione tra radiazione elettromagnetica e materia come gli elettroni è descritta dalla teoria dell’elettrodinamica quantistica.
Le onde elettromagnetiche possono essere polarizzate, riflesse, rifratte, diffratte o interferire tra loro.
Modello di ondaEdit
In mezzi omogenei e isotropi, la radiazione elettromagnetica è un’onda trasversale, il che significa che le sue oscillazioni sono perpendicolari alla direzione di trasferimento e di viaggio dell’energia. Le parti elettriche e magnetiche del campo stanno in un rapporto fisso di forze per soddisfare le due equazioni di Maxwell che specificano come l’una si produce dall’altra. In mezzi senza dissipazione (senza perdite), questi campi E e B sono anche in fase, con entrambi che raggiungono massimi e minimi negli stessi punti nello spazio (vedi illustrazioni). Un malinteso comune è che i campi E e B nella radiazione elettromagnetica sono fuori fase perché un cambiamento in uno produce l’altro, e questo produrrebbe una differenza di fase tra loro come funzioni sinusoidali (come in effetti accade nell’induzione elettromagnetica, e nel campo vicino vicino alle antenne). Tuttavia, nella radiazione EM in campo lontano che è descritta dalle due equazioni dell’operatore di ricciolo di Maxwell senza fonte, una descrizione più corretta è che una variazione di tempo in un tipo di campo è proporzionale a una variazione di spazio nell’altro. Queste derivate richiedono che i campi E e B nell’EMR siano in fase (vedi la sezione matematica qui sotto).
Un aspetto importante della natura della luce è la sua frequenza. La frequenza di un’onda è il suo tasso di oscillazione e si misura in hertz, l’unità SI della frequenza, dove un hertz è uguale a un’oscillazione al secondo. La luce di solito ha più frequenze che si sommano per formare l’onda risultante. Frequenze diverse subiscono diversi angoli di rifrazione, un fenomeno noto come dispersione.
Un’onda monocromatica (un’onda di una singola frequenza) consiste di avvallamenti e creste successive, e la distanza tra due creste o avvallamenti adiacenti è chiamata lunghezza d’onda. Le onde dello spettro elettromagnetico variano in dimensioni, da onde radio molto lunghe più di un continente a raggi gamma molto brevi più piccoli dei nuclei atomici. La frequenza è inversamente proporzionale alla lunghezza d’onda, secondo l’equazione:
v = f λ {displaystyle \displaystyle v=f\lambda }
dove v è la velocità dell’onda (c nel vuoto o meno in altri mezzi), f è la frequenza e λ è la lunghezza d’onda. Quando le onde attraversano i confini tra mezzi diversi, le loro velocità cambiano ma le loro frequenze rimangono costanti.
Le onde elettromagnetiche nello spazio libero devono essere soluzioni dell’equazione delle onde elettromagnetiche di Maxwell. Si conoscono due classi principali di soluzioni, cioè le onde piane e le onde sferiche. Le onde piane possono essere viste come il caso limite delle onde sferiche ad una distanza molto grande (idealmente infinita) dalla sorgente. Entrambi i tipi di onde possono avere una forma d’onda che è una funzione temporale arbitraria (purché sia sufficientemente differenziabile per essere conforme all’equazione d’onda). Come per qualsiasi funzione di tempo, questa può essere decomposta per mezzo dell’analisi di Fourier nel suo spettro di frequenza, o in singole componenti sinusoidali, ognuna delle quali contiene una singola frequenza, ampiezza e fase. Un’onda con tali componenti è detta monocromatica. Un’onda elettromagnetica monocromatica può essere caratterizzata dalla sua frequenza o lunghezza d’onda, la sua ampiezza di picco, la sua fase relativa a una fase di riferimento, la sua direzione di propagazione e la sua polarizzazione.
L’interferenza è la sovrapposizione di due o più onde che risulta in un nuovo modello di onda. Se i campi hanno componenti nella stessa direzione, interferiscono costruttivamente, mentre direzioni opposte causano un’interferenza distruttiva. Un esempio di interferenza causata da EMR è l’interferenza elettromagnetica (EMI) o, come è più comunemente noto, l’interferenza a radiofrequenza (RFI). Inoltre, più segnali di polarizzazione possono essere combinati (cioè interferiti) per formare nuovi stati di polarizzazione, il che è noto come generazione di stati di polarizzazione parallela.
L’energia nelle onde elettromagnetiche è talvolta chiamata energia radiante.
Modello delle particelle e teoria quantisticaModifica
Un’anomalia è emersa alla fine del 19° secolo, coinvolgendo una contraddizione tra la teoria ondulatoria della luce e le misurazioni degli spettri elettromagnetici che venivano emessi da radiatori termici noti come corpi neri. I fisici hanno lottato con questo problema senza successo per molti anni. Più tardi divenne noto come la catastrofe ultravioletta. Nel 1900, Max Planck sviluppò una nuova teoria della radiazione dei corpi neri che spiegava lo spettro osservato. La teoria di Planck era basata sull’idea che i corpi neri emettono luce (e altre radiazioni elettromagnetiche) solo come fasci discreti o pacchetti di energia. Questi pacchetti erano chiamati quanti. Nel 1905, Albert Einstein propose che i quanti di luce fossero considerati come particelle reali. Più tardi alla particella di luce fu dato il nome di fotone, per corrispondere ad altre particelle descritte in quel periodo, come l’elettrone e il protone. Un fotone ha un’energia, E, proporzionale alla sua frequenza, f, da
E = h f = h c λ {displaystyle E=hf={frac {hc}{lambda }},\frac!}
dove h è la costante di Planck, λ {displaystyle \lambda }
è la lunghezza d’onda e c è la velocità della luce. Questa è talvolta conosciuta come l’equazione di Planck-Einstein. Nella teoria quantistica (vedi prima quantizzazione) l’energia dei fotoni è quindi direttamente proporzionale alla frequenza dell’onda EMR.
Allo stesso modo, la quantità di moto p di un fotone è anche proporzionale alla sua frequenza e inversamente proporzionale alla sua lunghezza d’onda:
p = E c = h f c = h λ . {p = E c = h f c = h λ .
La fonte della proposta di Einstein che la luce fosse composta da particelle (o potesse agire come particelle in alcune circostanze) era un’anomalia sperimentale non spiegata dalla teoria delle onde: l’effetto fotoelettrico, in cui la luce colpendo una superficie metallica espelleva elettroni dalla superficie, causando una corrente elettrica che scorre attraverso una tensione applicata. Misure sperimentali hanno dimostrato che l’energia dei singoli elettroni espulsi era proporzionale alla frequenza, piuttosto che all’intensità, della luce. Inoltre, al di sotto di una certa frequenza minima, che dipendeva dal particolare metallo, nessuna corrente scorreva indipendentemente dall’intensità. Queste osservazioni sembravano contraddire la teoria delle onde, e per anni i fisici hanno cercato invano di trovare una spiegazione. Nel 1905, Einstein spiegò questo enigma riesumando la teoria delle particelle della luce per spiegare l’effetto osservato. A causa della preponderanza di prove a favore della teoria delle onde, tuttavia, le idee di Einstein furono inizialmente accolte con grande scetticismo dai fisici affermati. Alla fine la spiegazione di Einstein fu accettata quando fu osservato un nuovo comportamento della luce simile a quello delle particelle, come l’effetto Compton.
Quando un fotone viene assorbito da un atomo, eccita l’atomo, elevando un elettrone a un livello energetico più alto (uno che è in media più lontano dal nucleo). Quando un elettrone in una molecola o in un atomo eccitato scende ad un livello energetico inferiore, emette un fotone di luce ad una frequenza corrispondente alla differenza di energia. Poiché i livelli energetici degli elettroni negli atomi sono discreti, ogni elemento e ogni molecola emette e assorbe le proprie frequenze caratteristiche. L’emissione immediata di fotoni è chiamata fluorescenza, un tipo di fotoluminescenza. Un esempio è la luce visibile emessa dalle vernici fluorescenti, in risposta agli ultravioletti (luce nera). Molte altre emissioni fluorescenti sono note in bande spettrali diverse dalla luce visibile. L’emissione ritardata è chiamata fosforescenza.
Dualità onda-particellaModifica
La moderna teoria che spiega la natura della luce include la nozione di dualità onda-particella. Più in generale, la teoria afferma che ogni cosa ha sia una natura particellare che una natura ondulatoria, e vari esperimenti possono essere fatti per far emergere l’una o l’altra. La natura di particella è più facilmente discernibile usando un oggetto con una grande massa. Un’audace proposta di Louis de Broglie nel 1924 ha portato la comunità scientifica a realizzare che anche la materia (ad esempio gli elettroni) mostra la dualità onda-particella.
Effetti onda e particella della radiazione elettromagneticaModifica
Insieme, gli effetti onda e particella spiegano completamente gli spettri di emissione e assorbimento della radiazione EM. La composizione della materia del mezzo attraverso il quale la luce viaggia determina la natura dello spettro di assorbimento e di emissione. Queste bande corrispondono ai livelli di energia permessi negli atomi. Le bande scure nello spettro di assorbimento sono dovute agli atomi in un mezzo intermedio tra la sorgente e l’osservatore. Gli atomi assorbono certe frequenze della luce tra l’emettitore e il rivelatore/occhio, poi le emettono in tutte le direzioni. Una banda scura appare al rivelatore, a causa della radiazione diffusa dal fascio. Per esempio, le bande scure nella luce emessa da una stella lontana sono dovute agli atomi nell’atmosfera della stella. Un fenomeno simile si verifica per l’emissione, che si vede quando un gas emettitore brilla a causa dell’eccitazione degli atomi da qualsiasi meccanismo, compreso il calore. Quando gli elettroni scendono a livelli di energia più bassi, viene emesso uno spettro che rappresenta i salti tra i livelli di energia degli elettroni, ma si vedono delle linee perché di nuovo l’emissione avviene solo a particolari energie dopo l’eccitazione. Un esempio è lo spettro di emissione delle nebulose. Gli elettroni in rapido movimento sono accelerati più bruscamente quando incontrano una regione di forza, quindi sono responsabili della produzione di gran parte della radiazione elettromagnetica ad alta frequenza osservata in natura.
Questi fenomeni possono aiutare varie determinazioni chimiche per la composizione dei gas illuminati da dietro (spettri di assorbimento) e per i gas incandescenti (spettri di emissione). La spettroscopia (per esempio) determina quali elementi chimici compongono una particolare stella. La spettroscopia è anche usata nella determinazione della distanza di una stella, usando lo spostamento verso il rosso.
Velocità di propagazioneModifica
Quando un qualsiasi filo (o altro oggetto conduttore come un’antenna) conduce corrente alternata, la radiazione elettromagnetica si propaga alla stessa frequenza della corrente. In molte di queste situazioni è possibile identificare un momento di dipolo elettrico che nasce dalla separazione delle cariche dovuta al potenziale elettrico eccitante, e questo momento di dipolo oscilla nel tempo, mentre le cariche si muovono avanti e indietro. Questa oscillazione ad una data frequenza dà origine a campi elettrici e magnetici variabili, che mettono in moto la radiazione elettromagnetica.
A livello quantistico, la radiazione elettromagnetica è prodotta quando il pacchetto d’onda di una particella carica oscilla o accelera in altro modo. Le particelle cariche in uno stato stazionario non si muovono, ma una sovrapposizione di tali stati può risultare in uno stato di transizione che ha un momento di dipolo elettrico che oscilla nel tempo. Questo momento di dipolo oscillante è responsabile del fenomeno della transizione radiativa tra stati quantici di una particella carica. Tali stati si verificano (per esempio) negli atomi quando i fotoni vengono irradiati mentre l’atomo si sposta da uno stato stazionario all’altro.
Come onda, la luce è caratterizzata da una velocità (la velocità della luce), lunghezza d’onda e frequenza. Come particelle, la luce è un flusso di fotoni. Ognuno ha un’energia legata alla frequenza dell’onda data dalla relazione di Planck E = hf, dove E è l’energia del fotone, h è la costante di Planck, 6,626 × 10-34 J-s, e f è la frequenza dell’onda.
Una regola è rispettata indipendentemente dalle circostanze: La radiazione EM nel vuoto viaggia alla velocità della luce, rispetto all’osservatore, indipendentemente dalla velocità dell’osservatore. (Questa osservazione ha portato allo sviluppo della teoria della relatività speciale di Einstein). In un mezzo (diverso dal vuoto), il fattore di velocità o l’indice di rifrazione sono considerati, a seconda della frequenza e dell’applicazione. Entrambi sono rapporti tra la velocità in un mezzo e la velocità nel vuoto.
Teoria della relatività specialeModifica
Dalla fine del diciannovesimo secolo, varie anomalie sperimentali non potevano essere spiegate dalla semplice teoria delle onde. Una di queste anomalie riguardava una controversia sulla velocità della luce. La velocità della luce e delle altre EMR previste dalle equazioni di Maxwell non appariva a meno che le equazioni non fossero modificate in un modo suggerito per la prima volta da FitzGerald e Lorentz (vedi storia della relatività speciale), altrimenti quella velocità sarebbe dipesa dalla velocità dell’osservatore rispetto al “mezzo” (chiamato etere luminifero) che presumibilmente “portava” l’onda elettromagnetica (in un modo analogo al modo in cui l’aria porta le onde sonore). Gli esperimenti non riuscirono a trovare alcun effetto dell’osservatore. Nel 1905, Einstein propose che lo spazio e il tempo sembravano essere entità modificabili in velocità per la propagazione della luce e per tutti gli altri processi e leggi. Questi cambiamenti spiegavano la costanza della velocità della luce e di tutta la radiazione elettromagnetica, dal punto di vista di tutti gli osservatori, anche quelli in moto relativo.