Interazione radiazione non ionizzante e materia: trasmissione, as-

zione

Nei libri di testo di Liceo Scientifico non si trovano molti riferimenti all’interazione radiazione-materia. Alla parola ‘interazione’ non `e assegnato un significato specifico, ma in alcuni casi [58, 59] `e creata un’immagine mentale di un raggio che colpisce un corpo, come se si trattasse di un urto meccanico.

Gli studenti possono avere un’idea generale del significato di ‘trasmissione’, ‘assorbimen- to’ e ‘riflessione’, poich´e ritornano in vari capitoli, soprattutto nel programma dedicato al triennio del Liceo Scientifico.

Dal capitolo sull’ottica geometrica e fisica nel libro di terza liceo si conoscono i termini di ‘opacit`a’ e ‘trasparenza’, in relazione al comportamento di corpi interposti a un fascio di radiazione. Inoltre si parla spesso di mezzi trasparenti nella descrizione del fenomeno della rifrazione [57, 58, 60, 62], in quanto il raggio di luce si propaga in mezzi di indice di rifrazione diverso, ma con alta trasmittanza alla lunghezza d’onda della radiazione. La trasmittanza in questo caso `e il coefficiente che indica il rapporto tra il flusso di radia- zione trasmesso dal corpo e flusso totale di radiazione incidente, e dipende dalla banda spettrale di osservazione, ma non `e utilizzato nei libri scolastici.

Il fenomeno dell’assorbimento `e trattato da un punto di vista energetico nel capitolo sulla termodinamica [58, 61]. Si legge, ad esempio, che le macchine termiche assorbono energia da una sorgente a temperatura maggiore e la cedono ad una sorgente a tem- peratura minore dopo aver compiuto lavoro sul sistema. La loro `e una trasformazione ciclica dove vale la conservazione dell’energia assorbita e ceduta, in modalit`a calore e lavoro, dalla macchina. L’assorbimento `e inteso, quindi, come una acquisizione di ener- gia da parte di un corpo, causato dalla sua differenza di temperatura rispetto a un altro corpo e secondo le regole imposte dal secondo principio della termodinamica. Il feno- meno dell’assorbimento da un punto di vista radiativo `e trattato nel capitolo sull’ottica geometrica [60, 62], in particolare in relazione alla sensazione di colore. L’assorbimento selettivo da parte di un corpo di alcune bande spettrali e la riflessione di altre, infatti, influisce sulla percezione da parte dell’uomo del suo colore.

Il fenomeno della riflessione `e introdotto con le onde sonore, nel libro di terza Liceo Scien- tifico, tramite due esempi: l’eco e le onde stazionarie. Solamente pi`u avanti con le onde elettromagnetiche il temine acquista due diverse accezioni. Infatti, in base alla direzione di propagazione del raggio riflesso, si distingue tra riflessione speculare e diffusa, descritte nel primo paragrafo. Nel capitolo sull’ottica geometrica di molti libri di testo [57–62] il termine ‘riflessione’ `e utilizzato principalmente per indicare la riflessione speculare e non quella diffusa. Alcuni libri [57, 59, 60] esplicitano la relazione tra diffusione e la capacit`a dell’occhio di poter vedere il mondo circostante, poich´e l’occhio rivela principalmente la radiazione diffusa, quella che non `e stata assorbita o trasmessa dello spettro incidente su

di un corpo.

La trattazione, quindi, presenta delle discontinuit`a e non vi `e nessun libro tra quelli ana- lizzati che riservi un paragrafo per la spiegazione, anche solamente fenomenologica, dei tre concetti, in relazione all’interazione tra radiazione e materia. Non si trova nemme- no nel capitolo sullo spettro elettromagnetico [59, 63, 65, 66], affrontato in quinta Liceo Scientifico, in cui i concetti potrebbero essere ampliati sulla base delle conoscenze ac- quisite: teoria delle onde elettromagnetiche, caratteristiche delle diverse bande spettrali, conservazione dell’energia trasportata dall’onda incidente su un corpo.

Dall’analisi dei testi sono emerse alcune criticit`a, che verranno spiegate in seguito. I termini di opacit`a e trasparenza sono definiti nei libri in relazione alla radiazione vi- sibile [57, 59, 60], non sono utilizzati per altre bande spettrali. Per questo pu`o crearsi nell’immaginario degli studenti l’idea che le caratteristiche di trasparenza e opacit`a di un oggetto siano assolute e determinate a partire dalla nostra percezione in banda visibile. Il concetto di trasparenza, inoltre, non `e definito in termini di rapporto tra flusso di radiazione trasmesso e incidente, ma in modo pi`u semplicistico, come capacit`a intrinseca di un corpo di farsi attraversare dalla radiazione [57, 58, 60]. In generale i libri di testo riportano come esempi pi`u comuni di corpi trasparenti i seguenti elementi: l’acqua, il vetro [58–60, 62], il cristallino dell’occhio [61], le lenti ottiche [57, 58, 60], associando la trasparenza solamente all’esperienza umana. L’utilizzo anche di frasi come “sostanza trasparente” [60] rafforza il concetto che la trasparenza sia una propriet`a assoluta del corpo, non dipendente, quindi, dalla lunghezza d’onda di riferimento. L’opacit`a di un corpo a un determinato intervallo di lunghezze d’onda dipende dalle sue caratteristiche spettrali di assorbimento e di riflessione. Nei libri di testo analizzati si definisce solo come la capacit`a del corpo di bloccare la radiazione e di non lasciarsi attraversare [58, 60]. Si rischia di passare l’idea che la radiazione visibile si discosti dalle altre radiazioni e che sia in una posizione privilegiata, dato che determina la suddivisione assoluta dei corpi in trasparenti e opachi. Invece alcuni materiali possono avere comportamenti net- tamente differenti se illuminati da radiazioni diverse, ad esempio il cristallino trasmette la radiazione visibile, ma assorbe la radiazione ultravioletta ed `e altamente riflettente alla radiazione nel vicino infrarosso. L’acqua e il vetro sono opachi alla radiazione nel vicino e lontano infrarosso, la Coca Cola, invece, `e trasparente alla radiazione nel vicino infrarosso, nonostante sia opaca nel visibile. Nei libri di testo delle superiori citati si trova poco o niente di queste considerazioni.

L’unica eccezione a quanto detto in precedenza, si trova in alcuni libri [59, 60, 66] dove si accenna all’assorbimento da parte dell’atmosfera terrestre della radiazione infrarossa e delle finestre spettrali in cui `e trasparente, associando questi termini a bande spettrali diverse da quella visibile.

Rimane il rischio, per`o, che questo fenomeno venga ritenuto un caso a parte per gli stu- denti, che non contribuisca a far nascere in loro l’idea che ogni corpo, anche oggetti di uso quotidiano ed esseri viventi, abbia una curva di trasmissione, assorbimento e riflessione

in funzione della lunghezza d’onda o della frequenza, come succede per l’atmosfera. Si pensa che sia utile, in base a quanto riscontrato nei libri di testo, soffermarsi mag- giormente sul tema dell’interazione radiazione-materia e sul diverso comportamento che assumono i materiali se illuminati con radiazioni elettromagnetiche diverse. Esemplare `e l’approccio attuato dallo spettacolo e dal Laboratorio PLS descritti in questo lavoro in cui si `e presentato il diverso comportamento di materiali e oggetti del quotidiano se inquadrati con una telecamera operante nel vicino e lontano infrarosso e nell’ultraviolet- to11_.

Una trattazione formale che utilizzi questo metodo, per`o, richiederebbe l’introduzione dei coefficienti spettrali di assorbanza (αν), trasmittanza (τν ) e riflettanza (ρν), che indicano il rapporto tra il flusso incidente di radiazione e il flusso, rispettivamente, as- sorbito, trasmesso o riflesso da un certo corpo, in base alle sue propriet`a e alla frequenza di osservazione. La somma dei coefficienti deve restituire il flusso incidente iniziale. In mancanza di questa informazione, gli studenti potrebbero non percepire l’aspetto com- plementare e simultaneo di questi fenomeni d’interazione, che risiede nella conservazione dell’energia trasportata dal flusso di radiazione incidente:

αν + τν + ρν = 1 (2.9)

L’Equazione 2.9 si pu`o anche scrivere utilizzando la grandezza intensit`a (I) definita nell’Equazione 2.8:

ανIν + τνIν+ ρνIν = Iincidente (2.10)