PRESENTAZIONE
Quando atomi e molecole
di un corpo caldo, sia esso allo stato liquido, solido o gassoso, iniziano a
vibrare, emettono delle radiazioni elettromagnetiche, cioè si comportano
come un trasmettitore radio. La quantità e la natura delle radiazioni
emesse dipendono dalla temperatura del corpo, cioè dalla quantità
media di energia cinetica delle molecole. Ad esempio il nostro corpo è
caldo ed emette raggi calorifici (radiazioni infrarosse); anche un pezzo di
ferro riscaldato su una fiamma o il filamento di una lampadina, quando diventano
incandescenti, emettono radiazioni (in questo caso luminose).
La frequenza
delle radiazioni emesse dipende direttamente dalla frequenza di vibrazione della
molecola: più una molecola è calda più velocemente vibra, e
più corta sarà la lunghezza dell'onda risultante.
Ma
cerchiamo di analizzare meglio il fenomeno dell'emissione di radiazioni: per far
vibrare una molecola dovremo innanzitutto somministrarle energia, ad esempio
esponendola ad una radiazione o sottoponendola all'azione di un intenso campo
elettrico. In un rapido momento la molecola assorbirà tutte le
sollecitazioni, aumentando la propria energia interna, poi tenderà a
ritornare allo stato iniziale emettendo l'energia in eccesso sotto forma di
fotone, o meglio di radiazione elettromagnetica. In sostanza potremmo dire che
il fenomeno dell'emissione di radiazioni è dovuto al passaggio della
molecola da uno stato di energia alto ad uno più basso; quindi una
molecola che emette radiazioni perde parte dell'energia accumulata.
Una
particolarità importantissima è che una qualsiasi molecola o un
qualsiasi atomo possono assorbire solo quantità discrete di energia,
cioè possono assumere solo determinati stati energetici: tale
quantità discreta è chiamata dai fisici quanto di
energia.
Per capire cosa significa l'aggettivo discreto, pensiamo di dover
riempire di monetine un salvadanaio: in esso potremo mettere o togliere una, due
o tre monete, ma mai una monetina e mezza o tre e un quarto, perché una
moneta non si può suddividere. La stessa cosa succede per gli atomi; essi
possono assorbire o rilasciare uno, due o tre quanti di energia, ma mai un
quanto e mezzo.
La teoria dei quanti, elaborata dal fisico tedesco Max
Planck nel 1899, spiega perché un gas rarefatto si ionizza (
vedi Ricerche
Complementari) solo quando gli si fornisce un livello determinato di energia e
perché la luce che il gas riemette è tutta della stessa lunghezza
d'onda.
Se noi sottoponiamo un corpo ad una intensa luce bianca, composta
da radiazioni elettromagnetiche visibili di lunghezza d'onda diversa, i vari
atomi che lo compongono assorbiranno solo quelle onde che possiedono una
determinata frequenza. Questo succede perché gli atomi si comportano come
le antenne di un ricevitore radio, che risuonano solo quando captano le
lunghezze d'onda per le quali sono accordate.
Atomi diversi assorbiranno
lunghezze d'onda diverse. Analizzando con uno spettroscopio, uno strumento
munito di prismi, la luce riemessa da un corpo, si può risalire alla
composizione chimica del corpo stesso: questo è il metodo utilizzato
dagli astronomi per conoscere la composizione dei pianeti e delle stelle, anche
delle più lontane. Infatti la materia stellare è composta di
elementi diversi allo stato di plasma (atomi completamente ionizzati) che
emettono ciascuno una radiazione propria particolare.
Le lampade al sodio,
al mercurio, al neon-argo hanno ciascuna una luce di colore diverso per via dei
motivi spiegati sinora. Un fenomeno del tutto particolare è invece la
fluorescenza: esistono dei materiali capaci di assorbire della luce
ultravioletta invisibile e di riemetterla sotto forma di radiazioni visibili.
Questo fenomeno avviene perché parte dell'energia degli ultravioletti si
trasforma in calore e quella che rimane viene convertita in onda
elettromagnetica di lunghezza d'onda più lunga e quindi
visibile.
I RAGGI X
Anche i raggi X, come le onde radio, gli
ultravioletti, gli infrarossi e la luce, appartengono alla grande categoria
delle onde elettromagnetiche.
I raggi X sono stati scoperti dal fisico
tedesco Wilhelm Conrad Röntgen. Mentre il grande scienziato stava lavorando
con un tubo a raggi catodici, si accorse che una lastra fotografica emetteva dei
bagliori. Volendo analizzare più dettagliatamente questo curioso
fenomeno, frappose tra la lastra e il tubo un foglio di cartone: ma nonostante
l'ostacolo la lastra fotografica continuava a rilucere.
Röntgen
concluse così che le radiazioni misteriose erano sufficientemente penetranti da
oltrepassare anche spessi strati di materiale simile al cartone.
Il
proseguimento degli studi in questo campo ha portato notevoli vantaggi alla vita
dell'uomo: oggi i raggi X vengono prodotti da elettroni veloci, emessi da un
filamento incandescente, che colpiscono un bersaglio metallico; il filamento e
il bersaglio sono racchiusi in un tubo a bassa pressione. Più gli
elettroni sono veloci più sono penetranti i raggi X.
Questi
particolari raggi, chiamati anche Röntgen trovano applicazione in svariati
campi; in medicina vengono utilizzati per fotografare il corpo umano in
trasparenza (sfruttando la loro capacità di attraversare i tessuti molli
e non le ossa); mentre nell'industria vengono usati per controllare
l'integrità dei pezzi meccanici.
Le strutture cristalline, colpite
da un fascio di raggi X, li rifrangono creando delle figure particolari, che gli
scienziati hanno interpretato, scoprendo nozioni interessantissime sulla
struttura più intima delle molecole.
STAZIONI RADIO CELESTI
Fino ad ora abbiamo parlato di luce emessa da
atomi eccitati, ma non è detto che le radiazioni elettromagnetiche siano
comprese nello spettro del visibile. Infatti può accadere che un atomo
eccitato produca onde radio.
Nell'universo, oltre alle stelle e ai
pianeti, esistono altri corpi celesti del tutto particolari. Per esempio, nel
vuoto cosmico nubi di gas (in genere elio) circondano i corpi stellari: se una
di queste nubi si trova in prossimità di una stella giovane,
particolarmente calda e brillante, per effetto del calore gli atomi del gas si
ionizzano. Gli ioni, carichi di elettricità, si muovono nella nube
cambiando continuamente velocità: si comportano quindi come una corrente
elettrica variabile ed emettono onde radio. In tal caso per esaminare questo
tipo di radiazioni è necessario un ricevitore radio piuttosto che uno
spettroscopio. Gli astronomi dispongono di particolari strumenti, i
radiotelescopi, con i quali esplorano e analizzano i corpi celesti che emettono
onde radio.
Le onde radio di origine spaziale possono anche essere
prodotte da elettroni che viaggiano nel vuoto con velocità prossime a
quella della luce e che provengono dall'urto di atomi con le radiazioni cosmiche
oppure da esplosioni stellari. Un elettrone per emettere onde radio deve
percorrere una traiettoria a spirale intorno ad una linea di forza di un campo
magnetico. Una radiazione che ha simili origini è detta radiazione di
sincrotrone in quanto è simile a quella emessa da elettroni veloci
accelerati in apparecchiature da laboratorio chiamate sincrotroni.
Nel
febbraio del 1987 è stata scoperta una supernova: le novae e le
supernovae sono stelle che in seguito all'esplosione della fotosfera diventano,
nel giro di pochi giorni, decine di migliaia di volte più splendenti. Un
evento simile è rarissimo, ancor più del passaggio della cometa di
Halley: i documenti storici riportano che astronomi cinesi nell'anno 1O54 hanno
osservato una supernova nella costellazione del Toro e, come traccia del
fenomeno, è rimasta la Nube del Granchio, cioè una massa di gas
dispersi dall'esplosione. Un altro evento simile, ma meno certo per la mancanza
di residui, è stato osservato dall'astronomo Tycho Brahe nella
costellazione Cassiopea nel 1572.
Le onde radio prodotte dall'urto di
elettroni con atomi di idrogeno integri (non ionizzati) hanno permesso ai
radioastronomi di scoprire la forma della nostra galassia, la Via Lattea, e il
suo movimento negli spazi siderali.
RADIAZIONI COSMICHE
Il effetti il termine "radiazioni
cosmiche" è piuttosto vago dato che con esso si specificano fenomeni
eterogenei come l'emissione di onde elettromagnetiche e la produzione di raggi
che hanno origine da reazioni di decadimento e rottura dei nuclei atomici.
Generico è anche il termine raggio cosmico: esso indica la
totalità delle radiazioni che provengono dallo spazio. Di alcune di esse,
onde radio e luminose, abbiamo parlato diffusamente in precedenza. Anche se non
è escluso che i raggi cosmici provengano da luoghi lontani dell'universo,
è probabile che siano generati all'interno della nostra galassia.
Infatti, i raggi cosmici sono composti da protoni, particelle α, nuclei di
elio parzialmente ionizzati e nuclei di elementi pesanti: quando queste
particelle altamente energetiche incontrano gli strati più alti
dell'atmosfera si generano dei neutroni, mesoni K, muoni, pioni, raggi gamma ed
elettroni. In particolare i muoni, detti anche mesoni, sono particelle
subatomiche cariche elettricamente (ce ne sono di positive e di negative) che
presentano una massa 2O5 volte superiore a quella di un elettrone: un muone ha
una capacità di penetrazione enorme che gli consente di giungere fino ad
8.5 chilometri sotto la superficie terrestre. Per questo motivo sono classificati come
raggi cosmici duri.
In contrapposizione, l'insieme delle altre particelle
subatomiche, delle radiazioni elettromagnetiche dello spettro visibile e i raggi
gamma sono detti raggi cosmici molli perché vengono arrestati da uno
strato di piombo di 25 cm.
L'esistenza dei raggi cosmici venne scoperta
dal fisico V.G. Heis mentre conduceva ricerche sulla ionizzazione dei gas. In
seguito molti altri scienziati se ne occuparono, specialmente intorno a gli anni
dal 1925 al 1935. All'inizio si credeva che le radiazioni provenissero da
sostanze presenti sulla crosta terrestre e nelle acque: successivi studi
condotti dai fisici Rutherford, Mac Lennan e Daniele Pacini dimostrarono che le
radiazioni provengono dallo spazio e che alcune di esse hanno un potere di
penetrazione incredibile. Fu un italiano, Vittorio Maragliano, che intuì
l'origine stellare di questi raggi misteriosi. Lo svizzero Gockel rivelò
l'aumento delle radiazioni durante un'ascensione con un pallone aerostatico:
successivamente un collega tedesco, Kohlorster, misurò a 9000 m di
altitudine una radioattività sette volte maggiore di quella rivelata a
terra. In seguito venne compresa la natura corpuscolare di parte delle
radiazioni cosmiche, poiché i raggi venivano deviati da forti campi
magnetici.
Man mano che le risorse tecnologiche proliferavano, apparecchi
sempre più sofisticati poterono essere impiegati nelle ricerche (ad
esempio i satelliti). Studiando le tracce che i raggi cosmici lasciano sulla
superficie delle emulsioni fotografiche, i fisici hanno ipotizzato ed
individuato un gran numero di particelle subatomiche.
Il fisico americano
Van Allen, sulla base dei dati trasmessi a terra dalla serie di satelliti
Explorer, scoprì la presenza di due zone circolari che circondano la
terra: la prima a 3000 chilometri di altezza e la seconda a 25000 chilometri. Al centro delle
cosiddette fasce di Van Allen la radioattività è fortissima. La
loro esistenza è dovuta probabilmente al campo magnetico terrestre che
"cattura" le radiazioni solari e cosmiche.
Sulla genesi delle
radiazioni si possono ancora avanzare delle ipotesi, ma sembra piuttosto chiara
la relazione che esiste tra intensità del bombardamento e attività
solare, specie quando appaiono delle macchie solari.
EFFETTI DELLE RADIAZIONI COSMICHE SULL'UOMO
Appena i raggi cosmici furono scoperti, alcuni si
preoccuparono di rivestire le proprie abitazioni di schermi speciali per
ripararsene. A parte il fatto che i muoni difficilmente si possono arrestare e
che il nostro corpo è attraversato da centinaia di queste particelle ogni
secondo, evidentemente le conseguenze sull'organismo non sono importanti visto
che la specie umana e ogni altra forma di vita popolano ancora la superficie
terrestre e mai si sono estinte a causa delle radiazioni.
La
preoccupazione diventa legittima per quella categoria di persone che si trova a
trascorrere molto tempo a quote elevatissime, cioè i piloti e gli
astronauti; non solo le radiazioni sono più forti, ma sono anche presenti
raggi molto nocivi che l'atmosfera normalmente assorbe.
In genere le
lesioni provocate da radiazioni sono raramente visibili a meno di forti e
prolungate esposizioni: tuttavia le cellule di un organismo sono colpite nella
loro struttura molecolare, specie a livello del DNA, l'acido nucleico che porta
l'informazione genetica.
Le tute spaziali degli astronauti americani che
hanno partecipato alle missioni lunari erano dotate di particolari schermi
metallici (fogli di alluminio sovrapposti) per mitigare l'effetto delle
radiazioni nocive.
