Le onde elettromagnetiche possono essere generate e intercettate da sistemi passivi, quali antenne di diversa configurazione, così come da qualunque apparato attraversato da correnti variabili nel tempo. Un dispositivo alimentato in corrente alternata costituisce, infatti, una sorgente di radiazione per via dei campi elettrici e magnetici tempo-varianti che produce e, allo stesso tempo, un possibile ricevitore, in quanto può accoppiarsi elettromagneticamente con campi esterni e assorbirne energia. Fenomeni di questo tipo si manifestano, ad esempio, quando sorgono disturbi elettromagnetici in dispositivi audio posti vicino a telefoni cellulari, oppure quando è necessario schermare apparecchiature biomediche sensibili in ambienti ad alta intensità di radiofrequenza; un’applicazione intenzionale dell’assorbimento ed emissione a radiofrequenza è la risonanza magnetica.

Dal punto di vista fisico, una carica elettrica in moto può emettere o assorbire radiazione elettromagnetica; la condizione cruciale è la presenza di accelerazione (ovvero una variazione della velocità, in modulo o direzione). Una carica accelerata equivale a una corrente non stazionaria che genera un campo magnetico variabile, il quale induce un campo elettrico a sua volta variabile: la concatenazione di questi campi dà luogo alla propagazione di onde elettromagnetiche. In senso reciproco, l’energia trasportata dall’onda può essere trasferita alla carica, aumentandone l’energia cinetica (accelerazione), oppure può essere irradiata dalla carica, con corrispondente diminuzione dell’energia cinetica (decelerazione). Tra le conseguenze fisicamente rilevanti vi sono la radiazione di frenamento in presenza di forti decelerazioni e l’emissione di sincrotrone quando il moto è guidato da campi magnetici intensi.

Un caso paradigmatico è il moto circolare uniforme di una particella carica in un campo magnetico: la particella è soggetta a un’accelerazione centripeta e, quindi, emette radiazione. La perdita di energia cinetica comporta una riduzione progressiva della velocità; secondo la (R = \frac{m v}{q B}

\omega = \frac{2\pi}{T} = \frac{v}{R} = \frac{q B}{m}.) ne consegue la diminuzione del raggio orbitale. La traiettoria si trasforma in una spirale o in un’elica, come indicato in (Figura 07.09-01). La comprensione quantitativa di tali fenomeni, fornita dalle leggi di Maxwell e dalla teoria dei circuiti accoppiati ai campi, è essenziale nella progettazione di acceleratori circolari e anelli di accumulazione per particelle cariche, dispositivi di rilievo sia per la terapia medica (ad esempio, nella radioterapia con fasci di protoni e ioni) sia per ricerche di biologia strutturale e chimica mediante sorgenti di luce di sincrotrone.

Su scala atomica, molecolare e nucleare, l’emissione e l’assorbimento non seguono la continuità energetica prevista dalla Meccanica classica: la Meccanica quantistica impone che gli scambi energetici avvengano per quantità discrete (quanti). Per la radiazione elettromagnetica i quanti sono i fotoni, ciascuno con energia proporzionale alla frequenza \(\nu\), secondo la relazione:

\[E = h\,\nu\].

Qui \(h\) è la costante di Planck, pari esattamente a \(h = 6,62607015 \times 10^{-34}\) joule secondo nel Sistema Internazionale. È spesso utile esprimere l’energia anche in funzione della lunghezza d’onda \(\lambda\), tramite \(E = h c / \lambda\), con \(c\) velocità della luce nel vuoto; ciò rende evidente come la scala delle frequenze o delle lunghezze d’onda dell’intero spettro elettromagnetico corrisponda, in realtà, a una scala energetica.

Le transizioni quantizzate tra livelli energetici di elettroni in atomi e molecole, come pure tra stati nucleari, comportano l’emissione o l’assorbimento di fotoni di energia determinata da \(\Delta E = h\,\nu\). Questo principio è alla base di numerose tecniche sperimentali e applicazioni, tra cui:

• spettroscopia nel visibile e nell’ultravioletto, per lo studio delle transizioni elettroniche e dell’assorbimento selettivo della materia;
• spettroscopia infrarossa e microonde, per l’analisi dei livelli vibrazionali e rotazionali delle molecole;
• risonanza magnetica nucleare (NMR) e sue applicazioni cliniche, tra cui la tomografia a risonanza magnetica;
• emissione di radiazione di sincrotrone in acceleratori, sfruttata per esperimenti di diffrazione e imaging avanzato;
• transizioni nucleari con emissione/assorbimento di raggi gamma, rilevanti in fisica nucleare e in medicina nucleare.

In sintesi, l’interazione tra campi elettromagnetici e cariche in moto, in regime classico o quantistico, governa sia i meccanismi spontanei e indotti di emissione sia i processi di assorbimento. Questi concetti, unificati nella descrizione elettrodinamica e quantistica della radiazione, sono centrali per comprendere e progettare dispositivi che vanno dai sistemi di comunicazione e schermatura elettromagnetica agli acceleratori e alle sorgenti fotoniche ad alta brillantezza.

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Moto di particelle cariche in un campo magnetico

Fotografia del moto di particelle cariche in un campo magnetico ortogonale alla loro traiettoria: la perdita di energia per emissione di onde elettromagnetiche (invisibili nella fotografia) causa una continua diminuzione del raggio delle traiettorie. Un antiprotone (protone negativo) arriva da sinistra e colpisce un nucleo di neon sfasciandolo. Ne escono varie particelle cariche (quelle neutre come i neutroni non sono rivelabili con il particolare rivelatore – camera a streamer) che vengono deviate dal campo magnetico ortogonale all’immagine secondo la relazione (17.8). Poiché le tracce visibili sono costituite da ioni, formati nel materiale del rivelatore (gas) dal passaggio delle particelle cariche prodotte nelle collisioni con atomi di gas, quelle più grosse (e che deviano meno) sono nuclei leggeri (elio, litio). La traccia verso il basso a sinistra è dovuta a un protone che si ferma nel rivelatore: l’aumento di ionizzazione corrisponde al picco di Bragg mostrato in Figura 22.4. La traccia in basso di maggiore curvatura è di un mesone π⁺ che decade in un mesone μ⁺ e in neutrini (invisibili) nel vertice a V capovolta. Il mesone μ⁺ (di massa minore del mesone π⁺) esegue una traiettoria elicoidale perdendo energia elettromagnetica, diminuendo la sua energia cinetica e quindi il raggio della traiettoria fino al punto in cui, dopo una vita media caratteristica, a sua volta decade in un elettrone positivo e⁺ (molto più leggero) e in neutrini (non rivelati), dando luogo alla traccia che esce dal fotogramma a destra.

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