Spettrografia amatoriale: La Radiazione Elettromagnetica

(A cura di Alberto Villa – AAAV)

La AAAV (Ass.ne Astrofili Alta Valdera di Peccioli) si occupa di spettrografia amatoriale da moltissimo tempo. Per diversi anni abbiamo avuto la fortuna di poter collaborare con il compianto Ing. Vittorio Lovato (Fig. 1) che realizzò diversi spettrografi appositamente pensati per la strumentazione di cui disponiamo, utilizzando i quali abbiamo accumulato l’esperienza che ci ha consentito di effettuare lavori interessanti in questo ambito, utilizzando in tempi più recenti nuovi apparati in grado di scomporre la luce proveniente dai diversi corpi celesti presi in considerazione. Questo vuole essere il primo di una serie di articoli che ha lo scopo di mettere in evidenza quanto il mondo della spettroscopia – al contrario di quanto spesso si crede – sia alla portata di mano degli astrofili e della strumentazione di cui normalmente si dispone. Prima entrare nel dettaglio dei lavori effettuati dalla AAAV nel campo della spettrografia amatoriale, mi sembra però opportuno chiarire nel modo più semplice possibile alcuni concetti che ci permetteranno di apprezzare e comprendere con più facilità gli articoli che saranno in seguito dedicati all’aspetto sperimentale.

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Per moltissimo tempo la luce che ci giunge dalle stelle visibili in cielo dopo aver viaggiato nello spazio anche per diverse migliaia di anni, è stata utilizzata dall’uomo soltanto per determinare la posizione degli astri sulla volta celeste: della luce si considerava infatti soltanto la direzione di provenienza potendo quindi unicamente stabilire che le varie stelle erano collocate in posizioni ben definite dalle coordinate celesti (Ascensione Retta e Declinazione). Per meglio organizzarsi e gestire in modo razionale l’insieme di queste informazioni geometriche, le stelle furono raggruppate in figure di fantasia ancora oggi utilizzate per l’orientamento e ben note come costellazioni. Tutti i contenuti dell’astronomia classica fino a Copernico, Galileo, Keplero, Newton, Herschel sono stati costruiti unicamente sulla base di queste informazioni di carattere prettamente geometrico. Si incominciò a studiare la luce delle stelle con più attenzione e continuità soltanto intorno alla fine del 1700 (in particolar modo con Herschel). Ma fu soprattutto quando Fraunhofer e Kirchoff scoprirono la possibilità di scomporre la luce nelle sue componenti elementari – ottenendone il cosiddetto spettro – che si incominciò a decifrare il messaggio contenuto nella radiazione elettromagnetica proveniente dal Sole e dalle altre stelle.

La radiazione elettromagnetica è una forma di energia che si propaga anche nel vuoto, cioè non richiede alcun mezzo di supporto per la sua trasmissione. Con una velocità di propagazione di circa 300.000 Km/sec, le onde elettromagnetiche trasportano – attraverso lo spazio vuoto – energia immagazzinata nei campi elettrico e magnetico associati alla radiazione che si propaga. La radiazione elettromagnetica è infatti rappresentata da un campo elettrico e un campo magnetico perpendicolari tra loro, così come illustrato in Fig. 2.

L’onda elettromagnetica si genera quando in un punto dello spazio si produce una variazione che dura nel tempo (eventualmente periodica) di un campo elettrico o magnetico: in quel punto si origina di conseguenza un’onda elettromagnetica, che si propaga sotto forma di una successione continua di impulsi, nello stesso modo in cui, muovendo con continuità l’estremità di una molla tesa, si genera un’onda che si propaga per tutta la molla.

Per definizione, la radiazione elettromagnetica in fisica viene definita in due modi diversi, seppure in un certo senso e per molti aspetti equivalenti:

□ secondo il modello classico si comporta come un’”onda sinusoidale”;

□ secondo il modello corpuscolare è anche una “particella”.

Alle onde elettromagnetiche si associano pertanto le definizioni caratteristiche della fenomenologia delle oscillazioni. Si definiscono pertanto i seguenti parametri (vedi Fig. 3):

Lunghezza d’onda – Wavelenght (λ): distanza lineare tra due massimi successivi di un’onda

Ampiezza – Amplitude: distanza verticale tra un massimo della curva e l’asse delle x

Frequenza – Frequency (v): numero di oscillazioni del campo in 1 secondo (Hz = 1 ciclo/s)

Per quanto concerne la frequenza, nello schema a destra è evidente che l’onda in alto ha una frequenza minore, proprio perché la lunghezza d’onda è maggiore. È importante sottolineare che: La frequenza di un’onda è fissata dalla sua sorgente, e non cambia quando l’onda passa da un mezzo ad un altro. La velocità di un’onda (v), comunque, può invece cambiare a seconda del mezzo che l’onda sta attraversando, essendo infatti:

v = c/n

Dove c è la velocità della luce ed n l’indice di rifrazione del mezzo Pertanto n può assumere valori diversi determinando differenti velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche, come illustrato nei seguenti esempi:

n = 1 per il vuoto

n = 1.0003 per l’aria (per cui la radiazione elettromagnetica nell’aria viaggia alla velocità di 0.9997c)

n = 1.5 per il vetro (per cui la radiazione elettromagnetica nel vetro viaggia alla velocità di 0.67c)

Altra caratteristica molto significativa della radiazione elettromagnetica è che l’energia di un fotone è direttamente proporzionale alla frequenza (v) della radiazione stessa. La semplicissima espressione che ci fornisce l’energia (E) di un fotone è infatti la seguente:

Efotone = hv

dove h è la nota costante di Planck (6.63 x 10-27 erg sec)

È opportuno aver chiaro fin d’ora che le radiazioni visibili sono comprese tra i 4000 e i 7500 Angstrom (unità di misura che corrisponde a 10-10 metri) e rappresentano soltanto una solo una limitatissima porzione di tutto l’insieme delle onde elettromagnetiche: oltre ai valori citati, si estendono campi ben più vasti di onde elettromagnetiche che si possono esplorare con strumenti rivelatori, diversi in genere secondo la zona in cui devono ad operare. Coerentemente con la lunghezza d’onda associata, un’onda viene classificata in diverse categorie. La fig. 4 riporta da sinistra a destra valori di λ sempre più piccoli e, conseguentemente, frequenze sempre maggiori.

Come si può notare, le frequenze che l’occhio umano riesce a percepire come luce visibile rappresentano solo una piccolissima parte delle onde elettromagnetiche.

Si riporta di seguito una brevissima descrizione dei vari tipi di onde, dalle lunghezze d’onda maggiori a quelle minori:

Onde Hertziane / Onde Radio

A basse energie abbiamo le onde radio che possono raggiungere lunghezze d’onda dell’ordine di decine di chilometri: esse vengono usate per la comunicazione e possono essere emesse per mezzo di un campo elettrico oscillante su un’antenna.

Microonde:

Le microonde invece hanno le dimensioni di una capocchia di spillo: si possono ottenere da scariche fra due elettrodi ad alta tensione, da circuiti oscillanti, da radiazione termica di corpi caldi. Sono utilizzate per le applicazioni in telefonia, nella radio, nella televisione, nei radar.

Infrarosso

Con lunghezze d’onda appena più lunghe della luce visibile, questa gamma di radiazioni è responsabile della maggior parte degli effetti termici percepiti dall’uomo. In astronomia gli astri più luminosi in infrarosso sono spesso quasi invisibili in ottico perchè troppo freddi per emettere luce visibile. Queste radiazioni si presentano con lunghezze d’onda di dimensioni cellulari.

Luce visibile:

Campo in cui la radiazione solare produce la massima energia. La maggior parte degli organismi viventi percepisce questa parte dello spettro come luce ambiente. Questo tipo di radiazione elettromagnetica ha un’energia in grado di rompere i legami molecolari di alcune sostanze presenti nelle cellule della retina favorendo lo sviluppo di un impulso elettrico che mediante il nervo ottico viene trasferito al cervello ed interpretato come immagine. La luce non è percepita in modo uniforme dal nostro occhio ma sotto forma di una sequenza di colori: infatti le radiazioni luminose a più bassa energia con lunghezza d’onda di 700 nm (Nanometri) producono solo alcune reazioni nella retina e vengono percepite col colore rosso, quelle più energetiche con lunghezza d’onda di 400 nm invece producono molte più reazioni e vengono percepite col colore violetto.

Ultravioletto

La radiazione ultravioletta ha invece un’energia più elevata di quella visibile; questi raggi sono quasi totalmente schermati dallo scudo di ozono che avvolge il nostro pianeta. La notevole energia associata a questa radiazione è causa dell’abbronzatura durante l’esposizione ai raggi solari (in alcuni casi una massiccia esposizione può essere causa di tumori). Le lunghezze dell’onda sono paragonabili alle dimensioni delle molecole ed hanno energie prossime a quelle necessarie per spezzare i legami molecolari.

Raggi X

I raggi X furono scoperti da Röntgen. Immediatamente ci si accorse che, grazie all’enorme energia posseduta, avevano straordinarie capacità di penetrazione della materia, e per questo motivo trovano importantissime applicazioni nella medicina e nella metallurgia.

Raggi Gamma

Onde ad altissima frequenza: proprie della radiazione cosmica di fondo, sono comunque ben schermate dall’atmosfera terrestre. I raggi gamma sono le radiazioni elettromagnetiche più energetiche che si conoscano; la loro scoperta risale allo studio delle emissioni radioattive dei nuclei atomici, la loro capacità di penetrazione è straordinaria e i meccanismi di produzione sono sempre legati a processi nucleari o di fisica delle particelle elementari. La lunghezza d’onda di queste radiazioni è dell’ordine delle dimensioni nucleari caratterizzate da energia elevatissima, e ciò rende conto della loro straordinaria capacità di penetrazione.

Nota: oltre che in nm (Nanometri), le lunghezze d’onda si possono misurare anche in Ȧ, ovvero in Angstrom. Un nanometro corrisponde a 10-9 metri ed equivale a 10 Angstrom (quindi un Angstrom misura 10-10 metri).

Qui di seguito una tabella riassuntiva con le caratteristiche salienti delle onde elettromagnetiche.