L'occhio e la radiazione

Al crescere dell'energia coinvolta cresce anche la frequenza della radiazione emessa, e ad un certo punto, quando la temperatura è abbastanza alta, la luce ha una frequenza troppo grande per poter essere percepita dal nostro occhio.

L'occhio ha infatti una sensibilità limitata. Si può infatti paragonare ad uno strumento, e come tale ha un intervallo limitato entro il quale riesce a misurare la luce che riceve. Non a caso il massimo di sensibilità dell'occhio è nel giallo. La stella Sole emette infatti il massimo della sua energia in questo colore, e nel corso dell'evoluzione della specie umana l'occhio si è sviluppato in modo da essere più efficiente nel giallo. Andando verso il rosso o verso il violetto la sua efficienza diminuisce, sinché diventa nulla.

La luce visibile dall'occhio umano è solo una parte della radiazione che i corpi possono emettere. Esiste radiazione con lunghezza d'onda minore del violetto e radiazione con lunghezza d'onda maggiore del rosso. La radiazione che l'occhio è in grado di percepire viene chiamata radiazione ottica; oltre il violetto e per frequenze via via crescenti la radiazione viene chiamata ultravioletta, X e poi gamma. Al di sotto del rosso la radiazione viene chiamata prima infrarossa e poi radio, man mano che la sua frequenza diminuisce. Per analogia con il Sole si parla anche a volte di "raggi" X, raggi ultravioletti e raggi infrarossi.

Anche se noi non le percepiamo, ci sono strumenti in grado di rivelare la presenza di queste radiazioni. Non c'è però uno strumento perfetto, in grado di percepire radiazione di qualsiasi frequenza. Uno strumento in grado di vedere la radiazione X può essere cieco rispetto alla radiazione che noi vediamo.

In alcuni casi gli strumenti che percepiscono la radiazione non ottica sono comuni, come ad esempio gli apparecchi radiofonici. Le radio sono "occhi" che vedono radiazione di piccola frequenza. Forse sai che ci sono binocoli in grado di rivelare la radiazione infrarossa, usati per vedere di notte. Gli effetti della radiazione X puoi infine vederli quando ti fanno una radiografia. I raggi emessi da una sorgente artificiale attraversano il tuo corpo e colpiscono una lastra fotografica speciale, impressionandola. La capacità della radiazione X di attraversare il corpo dipende dal tessuto che incontra. Dove i tessuti offrono poca resistenza la radiazione passa facilmente e incontrando la lastra la annerisce molto. Al contrario dove incontra resistenza (ad esempio interagendo con le ossa) viene parzialmente bloccata e la zona corrispondente della lastra viene meno annerita. Sulla lastra si forma così un'"ombra" della regione del corpo che sta tra la sorgente e la lastra.

Nella maggior parte dei casi conosciuti in natura, una sorgente non emette in un solo colore, ma in tutte le lunghezze d'onda, e con intensità diverse. Hai visto ad esempio che il Sole emette la maggior parte dell'energia con onde di frequenza corrispondente al colore giallo, ma hai visto che con un semplice esperimento si capisce che la luce del Sole è composta di una gradazione continua di colori, e quindi di frequenze.

Il modo in cui una sorgente di radiazione distribuisce la sua energia sulle onde di frequenza diversa dipende dalla natura e dallo stato fisico della sorgente stessa. Il Sole emette la sua energia in quantià diversa a seconda della frequenza. La distribuzione dell'energia sulle frequenze della luce del Sole è molto caratteristica. E non è tipica solo del Sole. Tutte le sorgenti di un certo tipo emettono la loro energia proprio come il Sole. Ora vedrai come si produce questo tipo di radiazione.

Queste sorgenti vengono chiamate termiche, ma non lasciarti ingannare dal nome. Una sorgente termica non è necessariamente calda. Per iniziare a capire una sorgente termica bisogna iniziare da un caso ideale.

Immagina un corpo con una cavità al suo interno. All'interno del corpo c'è il vuoto. Il corpo è composto di atomi che si agitano. Ogni atomo che si agita possiede energia legata al movimento. Un atomo può perdere o acquistare energia sia urtando con un vicino sia emettendo o assorbendo radiazione. Il moto di agitazione tende a livellare eventuali accumuli di energia. Cioè se in una certa zona del corpo gli atomi si agitano di più quando urtano con i vicini è probabile che cedano a loro l'energia in eccesso finché viene redistribuita a tutto il corpo. Accade quindi che gli atomi tendono ad avere un moto di agitazione uniforme. Cioè in un certo lasso di tempo si raggiunge un equilibrio. La maggior parte degli atomi ha un un'energia media, mentre una frazione via via più piccola ha energie via via maggiori o minori di quella media.

La radiazione emessa dagli atomi che stanno vicino alla superficie interna del corpo può disperdersi nella cavità finché viene assorbita dagli atomi che stanno dalla parte opposta. La frequenza della radiazione emessa dipende dalla quantità di energia rilasciata dall'atomo. Poiché la frazione più grande di atomi possiede un'energia media anche la frazione più grande della radiazione viene emessa da questi atomi. E anche in questo caso c'è la tendenza all'equilibrio, in modo che non vi siano accumuli di energia. La quantità di energia che le pareti interne emettono sotto forma di radiazione è uguale a quella che assorbono. Si parla in tal caso di equilibrio termodinamico. La maggior parte della radiazione trasporta un'energia media, che corrisponde ad una certa frequenza. Frazioni via via minori di radiazione trasportano energia via via maggiori o minori della media. Quindi la frazione di radiazione con frequenza diversa dalla media è via via minore per frequenze via via più piccole o più grandi.

Lo spettro della radiazione della cavità ha quindi la caratteristica di avere un massimo che dipende dalla temperatura del corpo, e si sposta a frequenze maggiori quando la temperatura aumenta. Questo spettro viene anche chiamato spettro del corpo nero. Quando il massimo cade nelle frequenze ottiche la radiazione viene vista dall'occhio di un colore vicino a quello del massimo. Le altre onde infatti trasportano infatti una quantità di energia minore.

Anche se il caso della cavità è ideale, in natura si può parlare di sorgenti termiche anche quando le perdite di energia sono molto piccole rispetto all'energia interna complessiva del corpo. Questo è vero ad esempio per le stelle. Lo spettro della radiazione proveniente dalle stelle è infatti di tipo termico, così il colore di una stella è proprio legato alla sua temperatura.

Quando le condizioni di equilibrio termodinamico non sono rispettate è meno facile trarre conclusioni legate al colore di una sorgente di luce (o, in generale, di radiazione a frequenza qualsiasi). Ad esempio sai che alcuni oggetti sono ricoperti di una vernice che emette luce nel buio. In questo caso la luce può essere giallastra ma non per questo l'oggetto ha un temperatura di migliaia di gradi! La quantità di energia in gioco in questo fenomeno è limitata. Come si spiega allora il colore giallo? Basta immaginare che la poca energia venga emessa tutta in radiazione di una sola frequenza.

In effetti se ripetessi l'esperimento dell'arcobaleno con questa sorgente di luce non vedresti la banda colorata ma solo alcune righe di un determinato colore.

Dunque lo spettro della radiazione può rivelarci lo stato fisico di un corpo. Se lo spettro è di tipo termico sappiamo che il corpo si trova in equilibrio termodinamico e possiamo predire la sua temperatura. Se lo spettro è a righe invece l'equilibrio non sussiste.

L'equilibrio si realizza quando l'energia posseduta dagli atomi del corpo si ridistribuisce rapidamente. Affinché questo avvenga, ad esempio nel caso di un gas, devono sussistere certe condizioni di densità e pressione. Infatti l'energia si ridistribuisce efficientemente agli atomi quando gli urti fra di loro sono molto frequenti. La frequenza degli urti aumenta se gli atomi si avvicinano tra loro o se il loro moto di agitazione aumenta. Dunque un gas freddo raggiunge l'equilibrio ad una densità maggiore rispetto ad un gas caldo. Anche nelle condizioni ideali il raggiungimento dell'equilibrio può essere impedito se ci sono perdite di energia confrontabili con l'energia complessiva del corpo (cioè se il corpo viene raffreddato efficientemente).

Quando un gas è rarefatto, cioè quando la sua densità è piccola rispetto a quella necessaria per avere l'equilibrio alla sua temperatura, esso emette la radiazione caratteristica dell'atomo isolato, o degli atomi isolati se è composto da diverse specie chimiche.

Lo studio dell'interazione tra radiazione e materia è molto complesso e non è affrontabile con i mezzi che possiedi in questo momento. Però hai certamente afferrato l'idea fondamentale, ovvero che la radiazione proveniente da un corpo dipende dal suo stato fisico. Inoltre il colore di una sorgente è legato alla sua temperatura solo ed esclusivamente nei casi di equilibrio termodinamico.

Puoi tenere una lucciola in mano. Non ti scotterai!

Procedi!