Gli scienziati hanno scoperto gran parte di ciò che sappiamo sulla struttura dell’atomo osservando l’interazione degli atomi con varie forme di energia radiante, o trasmessa, come l’energia associata alla luce visibile che rileviamo con gli occhi, la radiazione infrarossa che percepiamo come calore, la luce ultravioletta che causa le scottature e i raggi X che producono immagini dei nostri denti o delle nostre ossa. Tutte queste forme di energia radiante dovrebbero esservi familiari. Iniziamo la discussione sullo sviluppo del nostro attuale modello atomico descrivendo le proprietà delle onde e le varie forme di radiazione elettromagnetica.
Proprietà delle onde
Un’onda è un’oscillazione periodica che trasmette energia nello spazio. Chiunque sia stato in spiaggia o fatto cadere un sasso in una pozzanghera ha osservato le onde che viaggiano nell’acqua. Queste onde si producono quando il vento, un sasso o un’altra perturbazione, come una barca di passaggio, trasferisce energia all’acqua, facendo oscillare la superficie verso l’alto e verso il basso mentre l’energia viaggia verso l’esterno dal suo punto di origine. Quando un’onda passa davanti a un punto particolare della superficie dell’acqua, tutto ciò che vi galleggia si muove verso l’alto e verso il basso.
Le onde hanno proprietà caratteristiche; le onde sono periodiche, cioè si ripetono regolarmente sia nello spazio che nel tempo. La distanza tra due punti corrispondenti di un’onda – tra i punti medi di due picchi, per esempio, o di due depressioni – è la lunghezza d’onda (λ): λ è la minuscola del greco lambda e ν è la minuscola del greco nu. Le lunghezze d’onda sono descritte da un’unità di distanza, tipicamente i metri. La frequenza (ν) di un’onda è il numero di oscillazioni che passano per un determinato punto in un dato periodo di tempo. L’unità di misura abituale è l’oscillazione al secondo (1/s = s-1), che nel sistema SI è chiamata hertz (Hz). Prende il nome dal fisico tedesco Heinrich Hertz, un pioniere nel campo della radiazione elettromagnetica. L’ampiezza, o altezza verticale, di un’onda è definita come la metà dell’altezza da picco a picco; all’aumentare dell’ampiezza di un’onda con una determinata frequenza, aumenta anche la sua energia. Due onde possono avere la stessa ampiezza ma lunghezze d’onda diverse e viceversa. La distanza percorsa da un’onda per unità di tempo è la sua velocità (v), che viene tipicamente misurata in metri al secondo (m/s). La velocità di un’onda è uguale al prodotto della sua lunghezza d’onda e della sua frequenza:
Le onde dell’acqua sono lente rispetto alle onde sonore, che possono attraversare solidi, liquidi e gas. Mentre le onde dell’acqua possono viaggiare a pochi metri al secondo, la velocità del suono nell’aria secca a 20°C è di 343,5 m/s. Le onde ultrasoniche, che viaggiano a una velocità ancora più elevata (>1500 m/s) e hanno una frequenza maggiore, sono utilizzate in diverse applicazioni come la localizzazione di oggetti sottomarini e l’imaging medico degli organi interni.
Radiazione elettromagnetica
Le onde dell’acqua trasmettono energia nello spazio attraverso l’oscillazione periodica della materia (l’acqua). L’energia trasmessa, o irradiata, attraverso lo spazio sotto forma di oscillazioni periodiche di campi elettrici e magnetici è invece nota come radiazione elettromagnetica. Nel vuoto, tutte le forme di radiazione elettromagnetica – che si tratti di microonde, luce visibile o raggi gamma – viaggiano alla velocità della luce (c), una costante fisica fondamentale con un valore di 2,99792458 × 108 m/s (circa 3,00 ×108 m/s o 1,86 × 105 mi/s). Si tratta di una velocità circa un milione di volte superiore a quella del suono.
Poiché i vari tipi di radiazione elettromagnetica hanno tutti la stessa velocità (c), si differenziano solo per la lunghezza d’onda e la frequenza: le lunghezze d’onda delle radiazioni elettromagnetiche conosciute vanno da 101 m per le onde radio a 10-12 m per i raggi gamma, che sono emessi dalle reazioni nucleari. Sostituendo v con c nell’equazione possiamo dimostrare che la frequenza della radiazione elettromagnetica è inversamente proporzionale alla sua lunghezza d’onda:
c=λν
ν=cλ
Ad esempio, la frequenza delle onde radio è di circa 108 Hz, mentre quella dei raggi gamma è di circa 1020 Hz. La luce visibile, che è una radiazione elettromagnetica rilevabile dall’occhio umano, ha una lunghezza d’onda compresa tra circa 7 × 10-7 m (700 nm, o 4,3 × 1014 Hz) e 4 × 10-7 m (400 nm, o 7,5 × 1014 Hz). All’interno di questo intervallo, l’occhio percepisce le radiazioni di diversa lunghezza d’onda (o frequenza) come luce di colori diversi, che vanno dal rosso al violetto in ordine decrescente di lunghezza d’onda. I componenti della luce bianca, una miscela di tutte le frequenze della luce visibile, possono essere separati da un prisma.
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