Intensità e frequenza sono due tra i parametri
fondamentali che descrivono le proprietà della radiazione
elettromagnetica (EM). Esse determinano anche le
modalità con cui la radiazione interagisce con i tessuti
degli organismi biologici e quindi ne condizionano
l’eventuale pericolosità.
L’intensità della radiazione
rappresenta semplicemente la quantità di energia
da essa trasportata per unità di tempo e di
superficie ortogonale alla direzione di propagazione.
Qualunque fenomeno di interazione radiazione-materia si
studi, esso – se si verifica – è normalmente tanto più
evidente quanto più la radiazione è intensa. Per la
frequenza
il discorso è, come vedremo, più complesso.
Come è noto,
sono radiazioni elettromagnetiche tanto le onde
radio, TV e dei cellulari, quanto le microonde dei forni
omonimi, gli infrarossi, la luce visibile, i raggi
ultravioletti, X e gamma. La diversa frequenza è proprio
ciò che determina il diversissimo comportamento di
questi tipi di radiazione EM, anche nella sua modalità
di interazione con la materia. Possiamo dire che, a
seconda della frequenza, determinati fenomeni possono
verificarsi o meno (per esempio: la ionizzazione) oppure
avvenire, a parità di intensità, con efficacia
profondamente diversa (ad esempio: il riscaldamento dei
materiali).
Onda o corpuscolo?
Chi studia la radiazione EM ed in particolare la sua
interazione con la materia incontra un fatto curioso,
noto come dualismo onda-corpuscolo.
Alcuni dei fenomeni che si osservano (per esempio:
diffrazione, interferenza) possono essere spiegati solo
se si rappresenta la radiazione come un’onda in cui delle
grandezze vettoriali (campo elettrico e campo magnetico)
oscillano nello spazio e nel tempo, mantenendosi
ortogonali alla direzione di propagazione. Altri fenomeni
(per esempio: ionizzazione, effetto fotoelettrico)
richiedono invece che si consideri la radiazione come un
flusso di particelle corpuscolari chiamate fotoni.
Sebbene i fenomeni di tipo corpuscolare avvengano più
che altro ad altissime frequenze, tuttavia non si deve
credere che il dualismo si riduca a una semplice
distinzione del tipo “onde alle frequenze più
basse, corpuscoli a quelle più alte”. In realtà,
è possibile osservare tipici fenomeni ondulatori (come
la diffrazione) perfino alle frequenze dei raggi X.
Nella descrizione ondulatoria,
l’intensità della radiazione è legata all’ampiezza
dell’oscillazione del campo elettrico e del campo
magnetico, poiché risulta:
dove E ed H sono i valori efficaci delle
ampiezze dei campi e Z è la cosiddetta impedenza
caratteristica del mezzo dove la radiazione si
sta propagando (il suo valore nel vuoto è di circa 377
ohm). La frequenza della radiazione rappresenta invece il
numero di creste d’onda che si susseguono (in un punto
prefissato) nell’unità di tempo. Essa è legata alla lunghezza
d’onda, che rappresenta lo spazio percorso da una cresta
d’onda in un tempo pari all’inverso della frequenza.
Nella descrizione corpuscolare,
la frequenza costituisce una misura dell’energia
trasportata da ogni singolo corpuscolo, in base alla
famosa relazione secondo la quale l’energia di ogni
fotone è pari al prodotto della frequenza per la costante
di Planck (il cui valore è 6,63.10-34
joule.secondo) mentre ovviamente l’intensità è legata
anche al numero di fotoni che transitano per unità di
tempo attraverso l’unità di superficie ortogonale alla
direzione di propagazione.
Radiazioni ionizzanti e non ionizzanti
La principale classificazione tra “tipi” di
radiazione in funzione della frequenza è quella che
concerne la distinzione tra radiazioni ionizzanti e non. Si
definiscono radiazioni EM ionizzanti quelle radiazioni in
grado di ionizzare direttamente la materia qualunque
sia la loro intensità. La ionizzazione è
un tipico fenomeno corpuscolare, poiché consiste
nell’assorbimento di un fotone da parte di un elettrone
esterno di un atomo: l’elettrone acquisisce l’energia del
fotone e, se questa è sufficiente (cioè se la frequenza
della radiazione è abbastanza alta), abbandona l’atomo a
cui appartiene, vincendone la forza elettrostatica che lo
lega al nucleo. La ionizzazione, quando avviene
(cioè se la frequenza è sufficiente), avviene per
qualunque intensità: quello che cambia con l’intensità
della radiazione è solo il numero di atomi che subiranno
il processo.
La distinzione tra radiazioni ionizzanti e non riveste
una grande importanza anche per quel che riguarda gli
effetti biologici, poiché il meccanismo di ionizzazione
può provocare nei tessuti alterazioni genetiche e
tumori. Le radiazioni ionizzanti sono pertanto
cancerogeni certi a qualunque livello di intensità.
Ma dove si pone esattamente il confine tra radiazioni
ionizzanti e non? Nella tabellina che segue sono
riportate le energie necessarie per ionizzare alcuni tipi
di atomi, dal cesio (che è il più disponibile a farsi
strappare elettroni) all’elio (che invece è tra i meno
disponibili), passando per i tipici componenti del
materiale organico.
| Atomo | Energia di ionizzazione | Lunghezza d’onda equivalente |
|---|---|---|
| Cesio | 3,9 eV | 318 nm |
| Carbonio | 11,3 eV | 110 nm |
| Idrogeno | 13,6 eV | 91 nm |
| Ossigeno | 13,6 eV | 91 nm |
| Azoto | 14,5 eV | 86 nm |
| Elio | 24,6 eV | 50 nm |
Come si vede, la banda di radiazione interessata è
sempre quella degli ultravioletti, che occupano
l’intervallo di lunghezza d’onda compreso grossomodo tra
10 e 400 nm (1 nm è pari a un miliardesimo di metro).
Radioonde, microonde
Le radiazioni elettromagnetiche impiegate nelle
telecomunicaziioni, nei forni, nei radar ed in molte
altre applicazioni che provocano oggi tanta apprensione,
rientra abbondantemente nell’ambito
delle radiazioni NON ionizzanti, sia che si tratti di
radiofrequenza (frequenza minore di 300 MHz,
lunghezza d’onda maggiore di 1 metro: radio AM e FM, canali
TV in banda VHF) o di microonde
(frequenza compresa tra 300 MHz e 300 GHz,
lunghezza d’onda da 1 metro a 1 millimetro: TV UHF, telefonia
cellulare, forni, radar). Non è
affatto dimostrato, quindi, che essa sia in grado di
provocare tumori e, in ogni caso, non si conosce alcun
meccanismo di azione in base al quale ciò potrebbe
avvenire.
Altri, e ben noti, sono gli effetti biologici che si
verificano in seguito all’esposizione a campi
elettromagnetici non ionizzanti. Sono già stati
descritti in altra risposta (http://www.vialattea.net/esperti/php/risposta.php?num=7862),
per cui mi limito qui a ricordare quanto segue.
- Alle frequenze più
basse, essi consistono in interferenze nei meccanismi
fisiologici di trasporto dell’informazione all’interno
dell’organismo, con
conseguenti fenomeni allucinatori visivi (fosfeni) o
tattili (percezione di scosse o pizzicori) e con disturbi
alla motilità muscolare ed al ritmo cardiaco. - Alle frequenze oltre il
centinaio di kHz il fenomeno più eclatante è costituito
dal riscaldamento dei tessuti, inizialmente anche in
profondità, ma che al crescere della
frequenza finisce per interessare solo gli strati
epidermici più superficiali.
Tutti questi fenomeni, se e quando avvengono (a seconda della frequenza),
sono tanto più intensi quanto maggiore è l’intensità della radiazione.