LEZIONE 18 – Viaggio nel mondo delle Radiazioni Ionizzanti
NOTE DI A. DI PROSPERO
O.E.M. – ONDE ELETTROMAGNETICHE
PROPRIETA’ DELLA MATERIA SOTTOPOSTA A ONDE ELETTROMAGNETICHE
CORPI NERI E MASER
NOTE DI A. DI PROSPERO
Italo CATALDO è laureato in fisica e proviene dalla prestigiosa UNIVERSITA’ DI LECCE. La sua passione è la ricerca scientifica e proprio per questo lavora presso industrie italiane. E’ anche radioamatore.
Oltre ad altre pubblicazioni, ha scritto un libro molto interessante dal titolo: RADIOATTIVITA’ ED EFFETTI SULLA SALUTE.
Come già ho scritto, è un libro molto interessante, si legge molto bene e comprensibile a tutti. In questo mondo attuale di inquinamenti diversi, è un libro che ogni casa, scuola, ufficio, laboratorio, ambulatorio medico e di analisi, industria piccola o grande, dovrebbe avere e leggere sia per la marcata utilità attuale (Vedi il caso della ex spia russa del KGB morta recentemente a Londra per avvelenamento da radioattività derivante dall’isotopo Polonio 210 e conseguenti persone e luoghi inquinati) sia per la difesa della propria salute e sia, infine, per cultura personale. La maggioranza delle persone non presta molta attenzione ai problemi odierni sulla radioattività e dei gravi pericoli connessi anche perché è confusa ed avvilita da altri pericoli di inquinamento più ricorrenti. Mentre per gli altri inquinamenti possono esistere dei rimedi, per la radioattività non vi sono rimedi anche perché la stessa, una volta liberata, è invisibile, non avverte ed è estranea ai nostri organi “sensori” fisici difensivi.
Costa soltanto Euro 10, comprende 108 pagine. Lo si può acquistare presso l’Editore “PENSA MULTIMEDIA” www.libreriauniversitaria.it
Euro spesi bene.
Nella seguente lezione, l’autore, cerca di rendere accessibile agli studenti in generale delle scuole superiori, particolarmente a quelli che studiano o praticano le radiocomunicazioni e a qualsiasi altro interessato, concetti che altrimenti sarebbero riservati solo al campo scientifico.
Ma non è così. Anche in questo caso, l’autore, si distacca dai suoi laboratori, dalla sua cattedra e dai suoi colleghi e viene fra di noi con espressioni chiare e comprensibili a tutti.
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O.E.M. ONDE ELETTROMAGNETICHE
O.E.M, – ONDE ELETTRO MAGNETICHE. Nel campo delle radiocomunicazioni, civili, militari e dei radioamatori in genere, si sfruttano le proprietà delle onde elettromagnetiche ( O.E.M.) emesse o ricevute da radio sempre più sofisticate.
Foto 2. Un apparato ricetrasmittente di ultima generazione.(F.d.R.)
Gli addetti ai lavori conoscono le frequenze più appropriate da utilizzare, la lunghezza migliore per una buona antenna, o la massima distanza che può raggiungere un segnale, ma può essere difficile immaginare che l’insieme delle O.E.M., a cui appartengono le radiofrequenze, contenga gli infrarossi, la luce visibile, quella ultravioletta, i raggi X e gamma, per non parlare della possibilità di considerare come onde radio anche le particelle subatomiche, ma questa è un’altra questione!
Raggi ULTRAVIOLETTI, VISIBILI e INFRAROSSO. Misure espresse in Nanometri. Il NANOMETRO (Simbolo “nm”) è una unità di misura di lunghezza corrispondente a 10 elevato a meno 9 metri. Praticamente, un milionesimo di millimetro. Tali misurazioni vengono usate su scala atomica e molecolare e per le radiofrequenze di cui alla tabella che precede. Le onde radio e cioè quelle propriamente usate per telecomunicazioni, non fanno parte di questa suddivisione(Foto e note d.R.).-
In effetti, tutte le O.E.M. sembrerebbero uguali perché obbediscono alle stesse leggi fisiche, vale a dire che i raggi X e le onde radio si riflettono con la luce visibile, quando è diretta su schermi riflettenti; gli infrarossi sono diffrati al pari dei raggi ultravioletti e gamma, ecc.
Questo sembra, in un primo momento, azzardato, ed è abbastanza comprensibile: ve la immaginate una trasmissione di segnali in “onde gamma” ? Una differenza sostanziale tra i vari gruppi di O.E.M. effettivamente c’è, e consiste nel differente modo di interagire con la materia, come sicuramente molti di voi sapranno.
Su queste proprietà si basa la suddivisione dell’intervallo delle frequenze, individuando due gruppi: quello che comprende le onde radio, gli infrarossi, la radiazione visibile e gli ultravioletti, e quello dei raggi X e gamma.
Il secondo gruppo si dice ionizzante perché, a differenza del primo, ha fotoni di energia talmente elevata da strappare elettroni, talvolta anche protoni e neutroni, da atomi o molecole neutre, facendole diventare ioni carichi elettricamente o in grado di ionizzarne altri. Una proprietà esclusiva di queste onde: infatti, non è possibile strappare elettroni da atomi di un qualsivoglia materiale, semplicemente illuminandoli, con la luce visibile di una normale lampadina, seppure potente…. per nostra fortuna.
In precedenza, ho introdotto il termine “fotone”, una parola già sentita, ma quanti di voi sanno darmi una definizione esatta, senza andarla a cercare sui libri?. A me piace definirlo come una “deformazione localizzata del campo elettromagnetico, in moto nello spazio circostante”. In sostanza, quando si emette radiazione, come un segnale radio, lo spazio circostante all’antenna si riempie di fotoni, assimilabili a proiettoli, che si allontanano velocemente dalla sorgente.
Figura 4
F.D.R. Antenna ricetrasmittente a dipolo aperto alimentata da cavo coassiale a 75 Ohm.
Se pensate che le antenne sparano miliardi di fotoni al secondo, immaginate quanti ce ne possono essere intorno a noi: dagli infrarossi, prodotti da qualunque sorgente calda, alle microonde dei telefonini, alla radioattività ambientale, per non parlare della luce visibile!.
A proposito, lo sapevate che l’occhio umano, per vedere un segnale luminoso, ha bisogno di ricevere almeno 400 fotoni di luce visibile al secondo?
Torniamo un passo indietro e facciamo chiarezza sulle proprietà tra OEM e materia, ricordando che questa è composta da atomi, ovvero nuclei contenenti protoni e neutroni, aggregati tra loro, circondati da elettroni che ruotano attorno a velocità vertiginosa.
Gli atomi possono legarsi insieme per formare molecole, anche molto complesse, fino ad aggregarsi in organismi viventi.
Le forze che legano i protoni ai neutroni, dette forze nucleari, sono molto più forti di quelle che trattengono gli elettroni all’atomo, per non parlare di quelle, ancora più deboli, che vincolano gli atomi nei legami molecolari.
E’ proprio l’entità delle varie forze a selezionare il comportamento delle O.E.M. e materia, poiché i fotoni, assimilati a proiettili che giungono veloci sui bersagli, fino a bucarli, trasportano energia, in funzione della loro frequenza, secondo la relazione:
E = hv
Dove v è la frequenza, h la costante di Planck, che vale: 6.62 x 10 elevato a meno 34 Js.
Fotoni da 28 KHz (onde radio), “sparati” su materiali conduttori, come quelli delle antenne radio, metteranno in vibrazione gli elettroni della banda di conduzione, cioè quelli meno legati al metallo, e noi siamo in grado di codificare la frequenza ricevuta.
Quelli di frequenza intorno ai 10000 GHz (infrarosso), sono in grado di trasferire energia ai legami molecolari, aumentando le loro oscillazioni, lasciando quasi “indisturbati” gli elettroni e i nuclei.
Viceversa, fotoni da oltre dieci milioni di GHz (raggi gamma), possono “staccare” elettroni dalle orbite più interne, o addirittura particelle dall’interno del nucleo, allontanandole definitivamente dal sistema, producendo cariche elettriche ben definite, con processi che prendono il nome di ionizzazioni.
Questi effetti sono poco conosciuti dal grande pubblico, ma sono molto importanti, soprattutto in biologia dove, il più delle volte, sono dannosi per la salute.-
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PROPRIETA’ DELLA MATERIA SOTTOPOSTA A O.E.M.
Quante scoperte scientifiche ha compiuto l’umanità permettendoci di capire quello che sfugge ai nostri cinque sensi, come la composizione di atomi, nuclei e nucleoni (protoni e neutroni) !
Ma vi assicuro che ci sono ancora molti aspetti non chiari, soprattutto negli universi dell’infinitamente piccolo e dell’infinitamente grande e lontano.
Qualcuno potrebbe chiedersi: quali vantaggi può apportare, alla nostra vita di tutti i giorni, il sapere esattamente come sono fatti i quark o le stelle di neutroni ?
Forse si posero le stesse domande quelli che commentarono le scoperte della comunità scientifica di fine 800 quando, ad esempio, vennero a conoscenza dell’esistenza di elettroni e nuclei atomici.
Oggi, visti i risultati, possiamo affermare che quegli studi hanno prodotto applicazioni tali da stravolgere la nostra esistenza: pensate solo all’uso che si può fare dell’energia nucleare, e Dio solo sa dove andremo a finire di questo passo !
Risalgono a quel periodo anche le ricerche sull’interazione tra O.E.M. e materia, un argomento che ho già anticipato e che vale la pena riprendere per le implicazioni che ne sono derivate.
Nel 1813, il fisico danese Borh dedusse dai suoi esperimenti che gli atomi di qualunque elemento erano composti da un nucleo centrale e pesante, formato da protoni ( i neutroni non erano stati ancora scoperti ), e da una serie di elettroni che gli orbitavano attorno, occupando traiettorie che ricordavano le orbite planetarie.
In realtà questo modello semplicistico fu abbondantemente corretto e perfezionato successivamente, con l’aiuto della meccanica quantistica, giungendo all’attuale modello atomico a “shell”, ma riterrò per il momento sufficiente l’idea di base, per non complicarvi troppo le idee.
Immaginate che gli elettroni descrivano traiettorie circolari attorno al nucleo, i cui raggi siamo funzione della velocità, quindi della loro energia, cioè tanto maggiori quanto più lontani dal nucleo.
Ipotizzate anche la possibilità che riescano a percorrere traiettorie con raggio differente, purchè abbiano assorbito o ceduti valori di energia ben determinati. Per l’analogia iniziale al nostro sistema solare, sarebbe come se, dopo un pioggia di grossi meteoriti, certi pianeti cominciassero a ruotare attorno al Sole spostandosi su orbite differenti e più lontane.
Tipo che la Terra andasse ad occupare la traiettoria che adesso è occupata da Marte, Venere quella della Terra, e così via.
Nel nostro caso, corrisponderebbe al comportamento degli elettroni dell’atomo che stiamo immaginando che, investiti da O.E.M. di varia frequenza, possono “saltare” da un livello energetico ad un altro superiore il quale, per analogia con l’esempio precedente, si potrebbe intuitivamente associare ad una nuova traiettoria planetaria.
Nella realtà le cose non stanno esattamente così ma, come dicevo prima, sorvolerò abbondantemente laddove mi sarà possibile!
Il punto è che non tutte le frequenze sortiscono lo stesso effetto, ma possono essere assorbite solo quelle intorno a certi valori, caratteristici di ogni elemento o sostanza.
Se ciò dovesse accadere, si dice che l’atomo (o la molecola), si troverà in uno stato eccitato, e potrà rimettere tutto o parte dell’eccesso di energia che ha appena assorbito. Sarebbe come se la Terra potesse eruttare via il meteorite dell’esempio precedente, riprendendo la sua orbita originaria e riavvicinandosi al Sole!
A questo punto entra in gioco il modo con cui l’energia è rimessa, dal momento che questo processo fisico può avvenire cedendo tutto o parte di essa, e con un certo ritardo di tempo.
Ad esempio si parlerà di fluorescenza per un tempo tra l’assorbimento e l’emissione inferiore a 10 elevato a meno 8 secondi, oppure fosforescenza se il ritardo sarà maggiore. Inoltre, non è detto che la frequenza f 1 della radiazione assorbita coincida con quella o quelle emesse, come mostrato nel disegno di Figura 5.
Sono tantissimi gli esempi su fenomeni di diffusione delle O.E.M., come il colore azzurro del cielo, dovuto all’assorbimento della radiazione ultravioletta da parte delle molecole di gas atmosferico.
E’ pur vero che l’energia della radiazione assorbita verrà riemessa tutta, ma i raggi ultravioletti ( UV ) provenienti dal Sole e diretti verso la Terra, dopo essere stati assorbiti, saranno diffusi in tutte le direzioni, quindi decisamente attenuati rispetto al flusso iniziale.
L’azzurro è la radiazione predominante tra quelle visibili fino a quando è interessato un certo spessore di atmosfera non eccessivo.
Infatti, all’alba e al tramonto, quando i raggi percorrono almeno il doppio dello strato di aria attraversato nelle ore centrali della mattinata, la radiazione azzurra sarà ulteriormente assorbita per lasciare che quella dominante sia di colore rosso.
Differente è il fenomeno fisico a cui sono soggette le onde radio che si propagano tra punti differenti e nascosti dalla curvatura terrestre. In questo caso le onde radio non subiscono sostanziali fenomeni di diffusione da parte di quella regione dell’atmosfera nota come Ionosfera. Piuttosto, sono semplicemente riflesse, come se fossero all’interno di una enorme guida d’onda, dove la Ionosfera, così come la superficie della Terra, si comportano come conduttori elettrici.-
ORPI NERI E MASER.
Ogni sistema atomico o molecolare, anche complesso, come quello di un organismo vivente, se si trova ad una temperatura superiore allo zero assoluto, assorbe o autotrasforma energia per riemetterla spontaneamente, sempre che i salti energetici dei propri livelli molecolari lo consentano.
Se la cosa può sembrarvi strana, vi assicuro che esiste una relazione matematica, della legge dello spostamento di Wien, nella quale la temperatura di qualunque oggetto, in approssimazione di corpo nero, è funzione della lunghezza d’onda della radiazione che compare con la massima intensità e che tende ad aumentare di frequenza all’aumentare della temperatura, in formule:
questo ci fa pensare che il nostro corpo, trovandosi a circa 37° C e trascurando i meccanismi biologici di trasformazione dell’energia, è una piccola sorgente di O.E.M., il cui massimo d’intensità si ottiene a 9.6 ym, nella regione dell’infrarosso.
L’intervallo delle frequenze emesse è comunque molto più ampio, anche se complessivamente le energie in gioco sono bassissime, come mostrato nella figura 8, dove l’energia totale corrisponde all’area al di sotto di ogni curva.
Chiarisco che, per corpo nero, intendo qualunque oggetto materiale in grado di assorbire completamente l’energia radiante, a qualsiasi frequenza.
I visori notturni a raggi infrarossi, ad esempio, andranno a rilevare proprio le frequenze emesse nella zona dell’infrarosso, quindi possono individuare le persone in assenza di luce visibile.
Per lo stesso motivo, un metallo surriscaldato emetterà molto nell’infrarosso ma, rendendolo rovente, comincerà ad emettere luce visibile ai nostri occhi, con il rosso quale colore predominante.
Del resto le lampade ad incandescenza tradizionali, costruite da filamenti metallici di tungsteno, raggiungono senza fondere temperature anche superiori a 1500° C.
Vi basterà applicare la legge di Wien per ottenere la frequenza della radiazione predominante, quindi spiegarvi la loro luce bianca. L’emissione della radiazione precedentemente assorbita può anche avvenire in maniera stimolata irraggiando, con radiazione di frequenza opportuna, gli atomi che si trovano in stato eccitato, e questo comportamento può presentare degli indiscutibili vantaggi.
In pratica, se un processo di emissione spontanea può produrre fotoni della stessa lunghezza d’onda, ma quasi certamente non in fase e non convogliati nella stessa direzione, le cose cambiano con l’emissione stimolata, perché i fotoni avranno la stessa fase e saranno orientati nella stessa direzione.
In entrambi i casi si avrà interferenza tra i fotoni emessi, ma nel secondo sarà essenzialmente costruttiva ed amplificherà la radiazione uscente, che ovviamente avrà bisogno, a priori, di tutto un apparato tecnologico opportuno, come vedremo in seguito.
Ho provato a disegnare in figura 9 quanto appena detto, “fotografando” i due processi in tre momenti differenti, sperando che questo sia di maggior chiarimento.
Grossomodo, un fascio di fotoni della stessa lunghezza d’onda, emessi nella medesima direzione, ed in fase tra loro, si dice coerente e il suo vantaggio probabilmente vi è già noto, perché è ampliamente sfruttato in strumenti chiamati laser.
Molti di voi avranno senz’altro visto o sentito parlare di Amplificatori di Luce ad Emissione Stimolata, quindi certamente ricorderanno i fasci che restano focalizzati, anche se viaggiano per milioni di chilometri.
Una comune lampada ad incandescenza, a confronto con un laser di pari potenza, disperderà la sua luce ad una distanza decisamente inferiore, al punto che risulterà impossibile inviare sulla Luna un fascio luminoso, anche se prodotto da una potente torcia, e vederselo riflettere in quantità apprezzabile sulla Terra.
Se il principio fisico alla base del funzionamento dei laser è abbastanza intuitivo, la tecnologia che li affianca non è altrettanto immediata, anche se attualmente sono stati realizzati dispositivi laser, utilizzando i più svariati tipi di sostanze, dai gas ai solidi, consentendo di ottenere fasci monocromatici di radiazioni che spaziano dalle onde radio all’ultravioletto. La diffusione di questi strumenti li ha resi molto economici, miniaturizzandoli oltre ogni aspettativa,….. e pensare che i primi laser, costruiti intorno alla metà degli anni 1950, non erano certo contenuti in un portachiavi, ed utilizzavano l’ammoniaca per generare radiazione da 23 GHz, cioè nel campo delle microonde. L’apparato strumentale era sostanzialmente più complicato rispetto a quello dei moderni laser: l’ammoniaca gassosa, mantenuta leggermente in pressione in un piccolo recipiente, era convogliata in un focalizzatore elettrostatico” tipo una gabbia con quattro barre conduttrici da mezzo metro, di cui due poste ad un potenziale da 15 KV, in grado di far divergere il flusso delle molecole meno energetiche e far avanzare le altre. Queste si concentravano in una cavità risonante, nella quale un segnale esterno da 23,87 GHz ne stimolava l’emissione, come mostrato in figura10.
Figura 10
C’e’ da dire che la percentuale di molecole eccitate restava alta nel tempo, durante i vari passaggi, perché la probabilità di emissione spontanea varia con il cubo della frequenza. La fonte della radiazione è la differenza di energia che esiste tra le due posizioni di equilibrio dell’atomo di azoto, rispetto al piano formato dai tre idrogeni, nella molecola dell’ammoniaca (NH3), con assorbimento ed emissione di fotoni da 23,87 GHz, in condizioni di risonanza, come mostrato in Figura 11.
Figura 11
La potenza della radiazione in uscita da quel primordiale dispositivo, chiamato MASER, era decisamente bassa ( 10 elevato a meno 10 W ), rispetto a quella degli attuali laser, ma aveva il vantaggio di generare un segnale molto pulito, al punto di essere utilizzato ancora oggi come frequenza standard, oltre ad aprire la strada allo sviluppo dei laser, così come li conosciamo.-
Fine lezione . – Gennaio 2007.-