Lo spettro elettromagnetico è la gamma di frequenze (lo spettro) della radiazione elettromagnetica e le loro rispettive lunghezze d’onda e energie fotoniche.

Lo spettro elettromagnetico copre onde elettromagnetiche con frequenze che vanno da un valore inferiore a un hertz a oltre 1025 hertz, corrispondenti a lunghezze d’onda da migliaia di chilometri fino a una frazione della dimensione di un nucleo atomico. Questo intervallo di frequenza è diviso in bande separate e le onde elettromagnetiche all’interno di ciascuna banda di frequenza sono chiamate con nomi diversi; a partire dalla fine della lunghezza bassa (lunghezza d’onda lunga) dello spettro si tratta di: onde radio, microonde, infrarossi, luce visibile, raggi ultravioletti, raggi X e raggi gamma alla fine ad alta frequenza (lunghezza d’onda corta). Le onde elettromagnetiche in ciascuna di queste bande hanno caratteristiche diverse, come il modo in cui vengono prodotte, come interagiscono con la materia e le loro applicazioni pratiche. Il limite per lunghezze d’onda lunghe è la dimensione dell’universo stesso, mentre si pensa che il limite di lunghezza d’onda corta sia nelle vicinanze della lunghezza di Planck. I raggi gamma, i raggi X e l’ultravioletto alto sono classificati come radiazioni ionizzanti poiché i loro fotoni hanno energia sufficiente per ionizzare gli atomi, causando reazioni chimiche. L’esposizione a questi raggi può essere pericolosa per la salute, causando malattie da radiazioni, danni al DNA e cancro. Le radiazioni delle lunghezze d’onda della luce visibile e inferiori sono chiamate radiazioni non ionizzanti in quanto non possono causare questi effetti.

Nella maggior parte delle bande di frequenza sopra, una tecnica chiamata spettroscopia può essere utilizzata per separare fisicamente onde di frequenze diverse, producendo uno spettro che mostra le frequenze costituenti. La spettroscopia viene utilizzata per studiare le interazioni delle onde elettromagnetiche con la materia. Altri usi tecnologici sono descritti sotto radiazione elettromagnetica.

Storia della scoperta dello spettro elettromagnetico
Per gran parte della storia, la luce visibile era l’unica parte conosciuta dello spettro elettromagnetico. Gli antichi greci riconobbero che la luce viaggiava in linea retta e ne studiava alcune proprietà, tra cui la riflessione e la rifrazione. Lo studio della luce continuò, e durante il XVI e XVII secolo le teorie contrastanti considerarono la luce come un’onda o una particella.

La prima scoperta di radiazione elettromagnetica diversa dalla luce visibile avvenne nel 1800, quando William Herschel scoprì la radiazione infrarossa. Stava studiando la temperatura di diversi colori spostando un termometro attraverso la luce divisa da un prisma. Notò che la temperatura più alta era oltre il rosso. Ha teorizzato che questo cambiamento di temperatura era dovuto a “raggi calorifici” che erano un tipo di raggio luminoso che non poteva essere visto.

L’anno successivo, Johann Ritter, che lavorava dall’altra parte dello spettro, notò quelli che chiamò “raggi chimici” (raggi di luce invisibili che inducevano certe reazioni chimiche). Questi si comportavano in modo simile ai raggi di luce viola visibili, ma erano al di là di essi nello spettro. In seguito furono rinominate radiazioni ultraviolette.

La radiazione elettromagnetica fu prima collegata all’elettromagnetismo nel 1845, quando Michael Faraday notò che la polarizzazione della luce che viaggiava attraverso un materiale trasparente rispondeva a un campo magnetico (vedi l’effetto Faraday). Durante il 1860 James Maxwell sviluppò quattro equazioni differenziali parziali per il campo elettromagnetico. Due di queste equazioni hanno previsto la possibilità e il comportamento delle onde sul campo. Analizzando la velocità di queste onde teoriche, Maxwell si rese conto che dovevano viaggiare a una velocità che riguardava la velocità nota della luce. Questa sorprendente coincidenza di valore ha portato Maxwell a dedurre che la luce stessa è un tipo di onda elettromagnetica.

Le equazioni di Maxwell prevedevano un numero infinito di frequenze di onde elettromagnetiche, tutte in movimento alla velocità della luce. Questa fu la prima indicazione dell’esistenza dell’intero spettro elettromagnetico.

Le onde previste da Maxwell includevano onde a frequenze molto basse rispetto agli infrarossi, che in teoria potrebbero essere create da cariche oscillanti in un circuito elettrico ordinario di un certo tipo. Tentando di dimostrare le equazioni di Maxwell e di rilevare tali radiazioni elettromagnetiche a bassa frequenza, nel 1886 il fisico Heinrich Hertz costruì un apparato per generare e rilevare quelle che ora vengono chiamate onde radio. Hertz trovò le onde e fu in grado di dedurre (misurando la loro lunghezza d’onda e moltiplicandola per la loro frequenza) che viaggiavano alla velocità della luce. Hertz ha anche dimostrato che la nuova radiazione potrebbe essere riflessa e rifratta da vari mezzi dielettrici, allo stesso modo della luce. Ad esempio, Hertz è stato in grado di focalizzare le onde usando una lente fatta di resina per alberi. In un esperimento successivo, Hertz ha prodotto e misurato allo stesso modo le proprietà delle microonde. Questi nuovi tipi di onde hanno aperto la strada a invenzioni come il telegrafo wireless e la radio.

Nel 1895 Wilhelm Röntgen notò un nuovo tipo di radiazione emessa durante un esperimento con un tubo sottovuoto sottoposto ad alta tensione. Chiamò queste radiazioni ai raggi X e scoprì che erano in grado di viaggiare attraverso parti del corpo umano ma erano riflesse o fermate da materia più densa come le ossa. In poco tempo, molti sono stati trovati per loro nel campo della medicina.

L’ultima porzione dello spettro elettromagnetico è stata riempita con la scoperta dei raggi gamma. Nel 1900 Paul Villard stava studiando le emissioni radioattive del radio quando identificò un nuovo tipo di radiazioni che inizialmente pensò consistessero in particelle simili alle note particelle alfa e beta, ma con il potere di essere molto più penetranti di entrambi. Tuttavia, nel 1910, il fisico britannico William Henry Bragg dimostrò che i raggi gamma sono radiazioni elettromagnetiche, non particelle, e nel 1914, Ernest Rutherford (che li aveva nominati raggi gamma nel 1903 quando si rese conto che erano fondamentalmente diversi dalle particelle alfa e beta caricate Edward Andrade misurò le loro lunghezze d’onda e scoprì che i raggi gamma erano simili ai raggi X, ma con lunghezze d’onda più corte e frequenze più alte.

Gamma dello spettro
Le onde elettromagnetiche sono tipicamente descritte da una delle seguenti tre proprietà fisiche: la frequenza f, la lunghezza d’onda λ o l’energia del fotone E. Le frequenze osservate in astronomia vanno da 2,4 × 1023 Hz (1 raggi gamma GeV) fino alla frequenza locale del plasma del mezzo interstellare ionizzato (~ 1 kHz). La lunghezza d’onda è inversamente proporzionale alla frequenza dell’onda, quindi i raggi gamma hanno lunghezze d’onda molto corte che sono frazioni della dimensione degli atomi, mentre le lunghezze d’onda sull’estremità opposta dello spettro possono essere lunghe quanto l’universo. L’energia del fotone è direttamente proporzionale alla frequenza dell’onda, quindi i fotoni dei raggi gamma hanno la più alta energia (circa un miliardo di elettronvolt), mentre i fotoni delle onde radio hanno un’energia molto bassa (attorno a un femtoelettronvolt). Queste relazioni sono illustrate dalle seguenti equazioni:

dove:
c = 299792458 m / s è la velocità della luce nel vuoto
h = 6,62606896 (33) × 10-34 J • s = 4,13 566733 (10) × 10-15 eV • s è la costante di Planck.
Ogniqualvolta le onde elettromagnetiche esistono in un mezzo con la materia, la loro lunghezza d’onda viene ridotta. Le lunghezze d’onda della radiazione elettromagnetica, a prescindere dal mezzo attraverso il quale viaggiano, sono solitamente indicate in termini di lunghezza d’onda del vuoto, sebbene questo non sia sempre esplicitamente indicato.

Generalmente, la radiazione elettromagnetica è classificata per lunghezza d’onda in radiazione di onde radio, microonde, terahertz (o sub-millimetrico), infrarossa, la regione visibile che viene percepita come luce, raggi ultravioletti, raggi X e raggi gamma. Il comportamento delle radiazioni EM dipende dalla sua lunghezza d’onda. Quando la radiazione EM interagisce con singoli atomi e molecole, il suo comportamento dipende anche dalla quantità di energia per quantum (fotone) che trasporta.

La spettroscopia può rilevare una regione molto più ampia dello spettro EM rispetto all’intervallo visibile da 400 nm a 700 nm. Uno spettroscopio di laboratorio comune può rilevare lunghezze d’onda da 2 nm a 2500 nm. Informazioni dettagliate sulle proprietà fisiche di oggetti, gas o anche stelle possono essere ottenute da questo tipo di dispositivo. Gli spettroscopi sono ampiamente usati in astrofisica. Ad esempio, molti atomi di idrogeno emettono un fotone a onde radio che ha una lunghezza d’onda di 21,12 cm. Inoltre, le frequenze di 30 Hz o inferiori possono essere prodotte da e sono importanti nello studio di certe nebulose stellari e frequenze da 2,9 × 1027 Hz sono state rilevate da fonti astrofisiche.

Motivazioni per i nomi regionali dello spettro
La radiazione elettromagnetica interagisce con la materia in modi diversi attraverso lo spettro. Questi tipi di interazione sono così diversi che i nomi storicamente diversi sono stati applicati a diverse parti dello spettro, come se si trattasse di diversi tipi di radiazioni. Pertanto, sebbene questi “diversi tipi” di radiazione elettromagnetica formino uno spettro quantitativamente continuo di frequenze e lunghezze d’onda, lo spettro rimane diviso per ragioni pratiche legate a queste differenze di interazione qualitativa.

Interazione radiazione elettromagnetica con la materia
Regione dello spettro Principali interazioni con la materia
Radio Oscillazione collettiva dei portatori di carica in materiale sfuso (oscillazione del plasma). Un esempio potrebbe essere il viaggio oscillatorio degli elettroni in un’antenna.
Microonde attraverso l’infrarosso lontano Oscillazione del plasma, rotazione molecolare
Vicino all’infrarosso Vibrazione molecolare, oscillazione del plasma (solo metalli)
Visibile Eccitazione di elettroni molecolari (incluse le molecole di pigmento trovate nella retina umana), oscillazioni del plasma (solo nei metalli)
ultravioletto Eccitazione di elettroni di valenza molecolare e atomica, compresa l’espulsione degli elettroni (effetto fotoelettrico)
Raggi X Eccitazione ed espulsione degli elettroni atomici core, scattering Compton (per bassi numeri atomici)
Raggi gamma Espulsione energica di elettroni centrali in elementi pesanti, diffusione di Compton (per tutti i numeri atomici), eccitazione di nuclei atomici, compresa la dissociazione di nuclei
Raggi gamma ad alta energia Creazione di coppie particella-antiparticella. A energie molto elevate un singolo fotone può creare una pioggia di particelle ad alta energia e antiparticelle all’interazione con la materia.
Tipi di radiazioni

confini
Di seguito viene fornita una descrizione delle regioni (o bande o tipi) dello spettro elettromagnetico. Si noti che non ci sono confini definiti con precisione tra le bande dello spettro elettromagnetico; piuttosto si confondono l’un l’altro come le bande di un arcobaleno (che è il sotto-spettro della luce visibile). La radiazione di ciascuna frequenza e lunghezza d’onda (o in ciascuna banda) ha una miscela di proprietà delle due regioni dello spettro che la legano. Ad esempio, la luce rossa assomiglia alla radiazione infrarossa in quanto può eccitare e aggiungere energia ad alcuni legami chimici e in effetti deve farlo per alimentare i meccanismi chimici responsabili della fotosintesi e del funzionamento del sistema visivo.

Regioni dello spettro
I tipi di radiazioni elettromagnetiche sono generalmente classificati nelle seguenti classi:

Radiazione gamma
Radiazione a raggi X.
Radiazioni ultraviolette
Radiazione visibile
Radiazione infrarossa
Radiazione di Terahertz
Radiazione a microonde

Onde radio
Questa classificazione va nell’ordine crescente della lunghezza d’onda, che è caratteristica del tipo di radiazione. Mentre, in generale, lo schema di classificazione è accurato, in realtà c’è spesso qualche sovrapposizione tra i tipi vicini di energia elettromagnetica. Ad esempio, le onde radio SLF a 60 Hz possono essere ricevute e studiate dagli astronomi, o possono essere canalizzate lungo i fili come energia elettrica, sebbene quest’ultima sia, in senso stretto, non una radiazione elettromagnetica (vedi campo vicino e lontano).

La distinzione tra raggi X e raggi gamma è in parte basata su fonti: i fotoni generati dal decadimento nucleare o da altri processi nucleari e subnucleari / particellari, sono sempre chiamati raggi gamma, mentre i raggi X sono generati da transizioni elettroniche che coinvolgono l’atomico interno altamente energetico elettroni. In generale, le transizioni nucleari sono molto più energiche delle transizioni elettroniche, quindi i raggi gamma sono più energetici dei raggi X, ma esistono delle eccezioni. Per analogia con le transizioni elettroniche, anche le transizioni dell’atomo muonico producono raggi X, anche se la loro energia può superare i 6 megaelettronvolt (0.96 pJ), mentre ci sono molti (77 noti per essere meno di 10 keV (1.6 fJ)) bassi – transizioni nucleari energetiche (ad esempio, la transizione nucleare da 7,6 eV (1,22 aJ) del torio-229) e, nonostante siano un milione di volte meno energetiche di alcuni raggi X muonici, i fotoni emessi sono ancora chiamati raggi gamma a causa della loro origine nucleare

La convenzione secondo cui la radiazione elettromagnetica che è nota provenire dal nucleo, viene sempre chiamata radiazione “a raggi gamma”, è l’unica convenzione che è universalmente rispettata, comunque. Molte fonti di raggi gamma astronomici (come i lampi di raggi gamma) sono troppo energiche (sia in intensità che in lunghezza d’onda) per essere di origine nucleare. Molto spesso, nella fisica delle alte energie e nella radioterapia medica, l’EMR ad altissima energia (nella regione> 10 MeV) – che è di energia superiore a qualsiasi raggio gamma nucleare – non è chiamato raggi X o raggi gamma, ma invece da il termine generico di “fotoni di alta energia”.

La regione dello spettro in cui cade una particolare radiazione elettromagnetica osservata, è dipendente dal frame di riferimento (a causa dello spostamento Doppler per la luce), quindi la radiazione EM che un osservatore direbbe in una regione dello spettro potrebbe apparire a un osservatore che si muove verso una frazione sostanziale della velocità della luce rispetto al primo di essere in un’altra parte dello spettro. Ad esempio, considera lo sfondo cosmico di microonde. Fu prodotto, quando la materia e la radiazione si disaccoppiarono, dalla diseccitazione degli atomi di idrogeno allo stato fondamentale. Questi fotoni provenivano dalle transizioni della serie Lyman, mettendoli nella parte ultravioletta (UV) dello spettro elettromagnetico. Ora questa radiazione ha subito abbastanza scarto cosmologico per introdurla nella regione delle microonde dello spettro per gli osservatori che si muovono lentamente (rispetto alla velocità della luce) rispetto al cosmo.

Frequenza radio
Le onde radio vengono emesse e ricevute dalle antenne, che consistono in conduttori come i risuonatori a barra metallica. Nella generazione artificiale di onde radio, un dispositivo elettronico chiamato trasmettitore trasmette una corrente elettrica CA che viene applicata a un’antenna. Gli elettroni oscillanti nell’antenna generano campi elettrici e magnetici oscillanti che si irradiano dall’antenna come onde radio. Nella ricezione delle onde radio, i campi elettrici e magnetici oscillanti di un’onda radio si accoppiano agli elettroni di un’antenna, spingendoli avanti e indietro, creando correnti oscillanti che vengono applicate a un ricevitore radio. L’atmosfera terrestre è principalmente trasparente alle onde radio, ad eccezione degli strati di particelle cariche nella ionosfera che possono riflettere determinate frequenze.

Le onde radio sono estremamente utilizzate per trasmettere informazioni su distanze nei sistemi di comunicazione radio come radio, televisione, radio a due vie, telefoni cellulari, satelliti di comunicazione e reti wireless. In un sistema di comunicazione radio, una corrente di radiofrequenza viene modulata con un segnale che porta informazioni in un trasmettitore variando l’ampiezza, la frequenza o la fase e applicato a un’antenna. Le onde radio trasportano le informazioni attraverso lo spazio verso un ricevitore, dove vengono ricevute da un’antenna e le informazioni estratte dalla demodulazione nel ricevitore. Le onde radio vengono anche utilizzate per la navigazione in sistemi come il Global Positioning System (GPS) e i fari di navigazione, e per localizzare oggetti distanti in radiolocalizzazione e radar. Sono anche utilizzati per il controllo remoto e per il riscaldamento industriale.

L’uso dello spettro radio è strettamente regolato dai governi, coordinato da un organismo denominato International Telecommunications Union (ITU) che assegna frequenze a utenti diversi per usi diversi.

microonde
Le microonde sono onde radio di lunghezza d’onda corta, da circa 10 centimetri a un millimetro, nelle bande di frequenza SHF ed EHF. L’energia a microonde è prodotta con tubi klystron e magnetron e con dispositivi a stato solido come i diodi Gunn e IMPATT. Sebbene siano emessi e assorbiti da brevi antenne, sono anche assorbiti da molecole polari, accoppiate a modalità vibrazionali e rotazionali, con conseguente riscaldamento in massa. A differenza delle onde a frequenza più alta come gli infrarossi e la luce che vengono assorbite principalmente dalle superfici, le microonde possono penetrare nei materiali e depositare la loro energia al di sotto della superficie. Questo effetto viene utilizzato per riscaldare il cibo nei forni a microonde, e per il riscaldamento industriale e la diatermia medica. Le microonde sono le principali lunghezze d’onda utilizzate nei radar e sono utilizzate per le comunicazioni via satellite e le tecnologie di rete wireless come il Wifi, anche se questo è a livelli di intensità impossibili da causare il riscaldamento termico. I cavi di rame (linee di trasmissione) che vengono utilizzati per trasportare le onde radio a frequenze inferiori alle antenne hanno perdite di potenza eccessive alle frequenze delle microonde e per trasportarli vengono utilizzati tubi metallici chiamati guide d’onda. Sebbene all’estremità inferiore della banda l’atmosfera sia principalmente trasparente, all’estremità superiore della banda l’assorbimento delle microonde da parte dei gas atmosferici limita le distanze di propagazione pratica a pochi chilometri.

Radiazione di Terahertz
La radiazione di Terahertz è una regione dello spettro tra infrarosso lontano e microonde. Fino a poco tempo fa, la gamma era raramente studiata e poche fonti esistevano per l’energia a microonde all’estremità superiore della banda (onde sub-millimetriche o onde terahertz), ma ora appaiono applicazioni come l’imaging e le comunicazioni. Gli scienziati stanno anche cercando di applicare la tecnologia terahertz nelle forze armate, dove le onde ad alta frequenza potrebbero essere dirette alle truppe nemiche per rendere incapaci le loro apparecchiature elettroniche. La radiazione di Terahertz è fortemente assorbita dai gas atmosferici, rendendo questa gamma di frequenze inutile per le comunicazioni a lunga distanza.

Radiazione infrarossa
La parte a infrarossi dello spettro elettromagnetico copre il campo da circa 300 GHz a 400 THz (1 mm – 750 nm). Può essere diviso in tre parti:

Infrarosso lontano, da 300 GHz a 30 THz (1 mm – 10 μm). La parte inferiore di questo intervallo può anche essere chiamata microonde o onde terahertz. Questa radiazione viene normalmente assorbita dai cosiddetti modi di rotazione nelle molecole in fase gassosa, dai moti molecolari nei liquidi e dai fononi nei solidi. L’acqua nell’atmosfera terrestre assorbe così forte in questo intervallo che rende l’atmosfera opaca. Tuttavia, ci sono alcuni intervalli di lunghezze d’onda (“finestre”) all’interno dell’intervallo opaco che consentono la trasmissione parziale e possono essere utilizzati per l’astronomia. L’intervallo di lunghezze d’onda da circa 200 μm fino a pochi mm viene spesso definito “sub-millimetrico” in astronomia, riservando il lontano infrarosso per lunghezze d’onda inferiori a 200 μm.

Infrarosso medio, da 30 a 120 THz (10-2,5 μm). Oggetti caldi (radiatori di corpo nero) possono irradiarsi con forza in questo intervallo e la pelle umana a temperatura corporea normale si irradia fortemente all’estremità inferiore di questa regione. Questa radiazione viene assorbita dalle vibrazioni molecolari, dove i diversi atomi di una molecola vibrano attorno alle loro posizioni di equilibrio. Questo intervallo è talvolta chiamato regione dell’impronta digitale, poiché lo spettro di assorbimento del medio infrarosso di un composto è molto specifico per quel composto.

Vicino infrarosso, da 120 a 400 THz (2.500-750 nm). I processi fisici rilevanti per questo intervallo sono simili a quelli per la luce visibile. Le più alte frequenze in questa regione possono essere rilevate direttamente da alcuni tipi di pellicole fotografiche e da molti tipi di sensori di immagini allo stato solido per la fotografia e la videografia a infrarossi.

Radiazione visibile (leggera)
Sopra l’infrarosso in frequenza viene la luce visibile. Il Sole emette il suo picco di potenza nella regione visibile, anche se l’integrazione dell’intero spettro di potenza di emissione attraverso tutte le lunghezze d’onda mostra che il Sole emette leggermente più infrarossi rispetto alla luce visibile. Per definizione, la luce visibile è la parte dello spettro EM a cui l’occhio umano è più sensibile. La luce visibile (e la luce del vicino infrarosso) viene tipicamente assorbita ed emessa dagli elettroni in molecole e atomi che si spostano da un livello di energia a un altro. Questa azione consente i meccanismi chimici che sono alla base della visione umana e della fotosintesi delle piante. La luce che eccita il sistema visivo umano è una porzione molto piccola dello spettro elettromagnetico. Un arcobaleno mostra la parte ottica (visibile) dello spettro elettromagnetico; l’infrarosso (se potesse essere visto) sarebbe situato appena oltre il lato rosso dell’arcobaleno con l’ultravioletto che appare appena oltre l’estremità viola.

La radiazione elettromagnetica con una lunghezza d’onda compresa tra 380 nm e 760 nm (400-790 terahertz) viene rilevata dall’occhio umano e percepita come luce visibile. Altre lunghezze d’onda, in particolare il vicino infrarosso (più di 760 nm) e l’ultravioletto (più corto di 380 nm) sono talvolta indicate come luce, specialmente quando la visibilità sull’uomo non è rilevante. La luce bianca è una combinazione di luci di diverse lunghezze d’onda nello spettro visibile. Il passaggio della luce bianca attraverso un prisma lo suddivide nei vari colori della luce osservati nello spettro visibile tra 400 nm e 780 nm.

Se una radiazione con una frequenza nella regione visibile dello spettro EM riflette un oggetto, ad esempio una ciotola di frutta, e quindi colpisce gli occhi, si ottiene una percezione visiva della scena. Il sistema visivo del cervello elabora la moltitudine di frequenze riflesse in diverse sfumature e tonalità, e attraverso questo fenomeno psicofisico non sufficientemente compreso, molte persone percepiscono una ciotola di frutta.

Alla maggior parte delle lunghezze d’onda, tuttavia, l’informazione trasportata dalla radiazione elettromagnetica non viene rilevata direttamente dai sensi umani. Le sorgenti naturali producono radiazioni EM attraverso lo spettro e la tecnologia può anche manipolare un’ampia gamma di lunghezze d’onda. La fibra ottica trasmette luce che, sebbene non necessariamente nella parte visibile dello spettro (di solito è a infrarossi), può trasportare informazioni. La modulazione è simile a quella usata con le onde radio.

Radiazioni ultraviolette
Il prossimo in frequenza arriva ultravioletto (UV). La lunghezza d’onda dei raggi UV è più breve della parte viola dello spettro visibile ma più lunga della radiografia.

L’UV è la radiazione di lunghezza d’onda più lunga i cui fotoni sono sufficientemente energetici per ionizzare gli atomi, separare gli elettroni da essi e quindi causare reazioni chimiche. La radiazione UV a lunghezza d’onda corta e la radiazione a lunghezza d’onda più corta sopra di essa (raggi X e raggi gamma) sono chiamate radiazioni ionizzanti e l’esposizione ad esse può danneggiare i tessuti viventi, rendendoli pericolosi per la salute. L’UV può anche far brillare molte sostanze con la luce visibile; questo è chiamato fluorescenza.

Alla media distanza dei raggi UV, i raggi UV non possono ionizzare ma possono rompere i legami chimici, rendendo le molecole insolitamente reattive. La solarizzazione, per esempio, è causata dagli effetti dirompenti delle radiazioni UV a medio raggio sulle cellule della pelle, che è la causa principale del cancro della pelle. I raggi UV a medio raggio possono danneggiare in modo irreparabile le complesse molecole di DNA nelle cellule che producono dimeri di timina, rendendolo un mutagene molto potente.

Il Sole emette radiazioni UV significative (circa il 10% della sua potenza totale), compresi raggi UV a lunghezza d’onda estremamente breve che potrebbero potenzialmente distruggere la maggior parte della vita sulla terra (l’acqua dell’oceano fornirebbe una certa protezione per la vita lì). Tuttavia, la maggior parte delle lunghezze d’onda UV dannose del sole vengono assorbite dall’atmosfera prima che raggiungano la superficie. Le gamme di energia più alta (lunghezza d’onda più corta) di UV (chiamate “UV a vuoto”) vengono assorbite dall’azoto e, a lunghezze d’onda più lunghe, da un semplice ossigeno biatomico nell’aria. La maggior parte degli UV nella fascia media di energia è bloccata dallo strato di ozono, che assorbe fortemente nell’importante intervallo di 200-315 nm, la cui parte inferiore di energia è troppo lunga per assorbire il dioossigeno ordinario nell’aria. Questo lascia meno del 3% della luce solare al livello del mare in UV, con tutto il resto alle energie inferiori. Il resto è UV-A, insieme ad alcuni UV-B. Il raggio di energia UV molto basso tra 315 nm e luce visibile (chiamato UV-A) non è bloccato bene dall’atmosfera, ma non causa scottature e fa meno danni biologici. Tuttavia, non è innocuo e crea radicali di ossigeno, mutazioni e danni alla pelle. Vedi l’ultravioletto per maggiori informazioni.

Raggi X
Dopo l’UV arrivano i raggi X, che, come le gamme superiori dei raggi UV, sono anch’essi ionizzanti. Tuttavia, a causa delle loro energie più elevate, i raggi X possono anche interagire con la materia mediante l’effetto Compton. I raggi X duri hanno lunghezze d’onda più corte rispetto ai raggi X morbidi e poiché possono attraversare molte sostanze con poco assorbimento, possono essere utilizzati per “vedere attraverso” gli oggetti con “spessori” inferiori a quelli equivalenti a pochi metri di acqua. Un uso notevole è l’imaging radiologico diagnostico in medicina (un processo noto come radiografia). I raggi X sono utili come sonde nella fisica delle alte energie. In astronomia, i dischi di accrescimento attorno a stelle di neutroni e buchi neri emettono raggi X, consentendo studi di questi fenomeni. I raggi X sono emessi anche dalle corone delle stelle e sono fortemente emessi da alcuni tipi di nebulose. Tuttavia, i telescopi a raggi X devono essere collocati al di fuori dell’atmosfera terrestre per vedere i raggi X astronomici, poiché la grande profondità dell’atmosfera della Terra è opaca ai raggi X (con una densità areale di 1000 grammi per cm2), equivalente a 10 metri spessore d’acqua. Questa è una quantità sufficiente a bloccare quasi tutti i raggi X astronomici (e anche i raggi gamma astronomici – vedi sotto).

Raggi gamma
Dopo i duri raggi X arrivano raggi gamma, che sono stati scoperti da Paul Ulrich Villard nel 1900. Questi sono i fotoni più energici, senza alcun limite inferiore definito alla loro lunghezza d’onda. In astronomia sono preziosi per lo studio di oggetti o regioni ad alta energia, tuttavia come con i raggi X questo può essere fatto solo con telescopi al di fuori dell’atmosfera terrestre. I raggi gamma sono utilizzati sperimentalmente dai fisici per la loro capacità penetrante e sono prodotti da numerosi radioisotopi. Sono utilizzati per l’irradiazione di alimenti e semi per la sterilizzazione e in medicina sono occasionalmente utilizzati nella terapia del cancro alle radiazioni. Più comunemente, i raggi gamma vengono utilizzati per l’imaging diagnostico in medicina nucleare, un esempio sono le scansioni PET. La lunghezza d’onda dei raggi gamma può essere misurata con elevata precisione attraverso gli effetti della diffusione di Compton.