0086. Perché la relazione tra lunghezza d’onda e dimensioni dell’oggetto investito sono cosi importanti?

 Leggo dappertutto della relazione tra la lunghezza d'onda e le dimensioni dell'oggetto investito (per esempio un elettrone è troppo piccolo per qualunque lunghezza d’onda…) Perché ciò è così importante? E poi perché le onde radio lunghe vengono riflesse dalla ionosfera e le corte la passano? (Francesco Frontera)

Nell'ambito della meccanica quantistica ad ogni particella può essere associata un'onda (dualismo particella-onda), con una lunghezza d'onda

l = h/p

dove h = costante di Planck e p = l'impulso della particella. Le proprietà (quantistiche) della particella e la sua evoluzione nel tempo, a partire da uno stato iniziale, nell'ambito della Meccanica Quantistica, sono descritte dall'equazione di Schrodinger che non sono accessibili al lettore non specializzato. L’analogia con il comportamento delle onde meccaniche che noi conosciamo, seppure un poco forzata, ci può aiutare a capire in modo grossolano cosa accade.

Nell'interazione fra una particella ed un bersaglio da studiare (atomo, altra particella, etc.) quando la lunghezza d'onda associata alla particella "sonda" è più grande della dimensione del bersaglio in studio, è come se lo "scavalcasse", o meglio lo "aggirasse". Il risultato è che non si riescono a "vedere" i dettagli a cui siamo interessati. Se invece la lunghezza d’onda è più piccola delle dimensioni del bersaglio essa potrà penetrare al suo interno e sarà riflessa ricordando tutte le particolarità geometriche di esso .

Con le energie oggi disponibili negli acceleratori di particelle, applicando la formula precedente, le lunghezze d'onda a cui si arriva, dunque le dimensioni che possono essere investigate, sono dell'ordine di 10^-18 m. Questa notazione scientifica indica un miliardesimo di miliardesimo di metro. Ricordiamo che non è stato possibile risolvere la struttura dei quark entro questa dimensione . Ecco anche perché fino ad ora non è stato possibile confermare la validità della teoria delle corde che ipotizza l’esistenza di costituenti elementari di dimensioni almeno cento volte più piccole dei quark . È proprio questa una delle ragioni per cui oggi i fisici sono alla ricerca di nuove tecniche e tecnologie che permettano di salire ancora di più in energia (acceleratore LHC  al CERN ) e guardare sempre di più in profondità dentro il mondo che ci circonda.

L’atmosfera rappresenta l’involucro di gas che circonda la Terra. È formata da diversi strati concentrici che sono caratterizzati da diversi parametri: composizione gassosa, andamento della temperatura con la quota, stato di ionizzazione, contenuto d’ozono, ecc. Uno di questi strati e la ionosfera, che si estende fra i ~50 e 300 km d’altezza, costituita da gas ionizzato. La ionizzazione avviene in seguito all'interazione dei raggi UV – ultravioletti - provenienti dal Sole con gli atomi: i fotoni (quanti di luce) con energia superiore ad una certa soglia estraggono elettroni dagli atomi che rimangono con una carca elettrica diversa da zero. Prima della ionosfera c’e’ la stratosfera, che si estende da 7-12 km sino ai 50 km, costituita da gas “normale”, non-ionizzato, che, tra l’altro, contiene la maggior parte dell’ozono dell’atmosfera. Le onde elettromagnetiche che si propagano nell'atmosfera vedono, nella transizione tra gli strati della stratosfera e ionosfera, un grande cambiamento dell'indice di rifrazione (per il fatto che le proprietà di un gas ionizzato, la ionosfera, sono ben diverse di uno "normale", la stratosfera). Questo indice, che dipende fortemente dalla lunghezza d'onda, regola le proprietà di un'onda di essere riflessa o trasmessa. Il cambiamento dell’indice di rifrazione ed il suo valore diverso per onde corte e onde lunghe fa sì che le onde lunghe vengano riflesse nell'ionosfera mentre le onde corte la penetrano senza difficoltà. Queste differenti caratteristiche sono largamente sfruttate nelle trasmissione delle onde radio.

Catalina Curceanu(Petrascu) – Fisico