2.3 Le radiazioni elettromagnetiche nei libri di testo delle superiori
2.3.2 Spettro elettromagnetico in particolare Radiazione Ultravioletta e
travioletta e Infrarosso
Nei libri di testo di Liceo Scientifico [59–61, 63, 65, 66], la classificazione delle onde elet- tromagnetiche, con caratteristiche simili, in bande ben distinte da intervalli di λ e ν, `e chiamato spettro elettromagnetico. Gli studenti di liceo che si avvicinano a tale argo- mento, generalmente, hanno gi`a trattato le leggi dell’elettromagnetismo, riassunte nelle equazioni di Maxwell, e le caratteristiche delle onde elettromagnetiche. Qualche libro [20] [21] parla di onde elettromagnetiche gi`a nel capitolo dell’ottica geometrica e fisica dei libri di terza superiore, quando viene introdotta la radiazione visibile.
Dagli argomenti affrontati in terza, gli studenti conoscono anche le propriet`a dei feno- meni ondulatori e la relazione 4, che coinvolge le grandezze che caratterizzano un’onda: λ, f e c. Dovrebbero sapere, quindi, che la radiazione, perturbazione del campo elet- tromagnetico, si propaga in modo ondulatorio alla velocit`a c nel vuoto. Sanno anche, dalla fisica ondulatoria, che un’onda trasporta energia e quantit`a di moto. Il modulo e la direzione del flusso di energia associato a un’onda elettromagnetica, o la potenza irraggiata per unit`a di superficie nell’unit`a di tempo, `e il vettore di Poynting (S). Nei libri scolastici `e indicato con I (intensit`a dell’onda elettromagnetica), modulo del vettore
S:
I = c 0E2 = c/µ0B2 [W · m−2] (2.8) con 0 costante dielettrica del vuoto, µ0 permeabilit`a magnetica del vuoto, E modulo del campo elettrico e B modulo del campo magnetico.
Nei libri scolastici, prima dello spettro elettromagnetico, viene spiegato come si genera un’onda elettromagnetica, ovvero grazie a cariche accelerate che determinano la varia- zione del campo elettrico e magnetico. Inoltre `e spiegato come si possano produrre onde in laboratorio tramite un circuito oscillante LC (induttore-condensatore), in cui la cor- rente `e variabile nel tempo. Alcuni libri [59–61, 64] citano l’antenna come esempio di emettitore e ricevitore di radiazione elettromagnetica.
Lo spettro elettromagnetico viene trattato da molti dei libri analizzati come parte con- clusiva del capitolo sulle onde elettromagnetiche. La presentazione `e simile per molti libri, con una breve introduzione, seguita da un’immagine rappresentante la divisione in intervalli di lunghezza d’onda e frequenza. Alcuni libri [58–60, 64, 67] a ogni banda associano anche la figura di un elemento correlato alla banda spettrale presa in conside- razione. Infine vi `e la presentazione dettagliata di ogni banda, esplicitandone l’intervallo di lunghezza d’onda e frequenza e alcune applicazioni. La spiegazione della polarizzazio- ne della radiazione conclude il capitolo.
Dall’analisi dei libri si `e osservato che l’immagine legata allo spettro elettromagnetico non sempre risulta significativa per scopi didattici. Nel libro “Fisica! Pensare l’Universo” [67] si ritrova a pagina 67 una rappresentazione poco chiara dello spettro elettromagnetico, esemplificativa, per`o, di molte problematicit`a che si riscontrano sull’argomento nei libri di testo. Le bande spettrali sono accompagnate da disegni che dovrebbero permettere un collegamento immediato della radiazione in questione con l’esperienza quotidiana. Eppure le immagini rischiano di creare confusione agli studenti nell’identificare cosa sia sorgente di quella radiazione e cosa, invece, la utilizzi per il suo funzionamento. In par- ticolare nel libro citato precedentemente si crea ambiguit`a usando immagini di antenne, televisori e radio associate alla radiazione radio. Questi dispositivi non sono generatori di radiazione, ad eccezione delle antenne irraggianti, ma piuttosto la ricevono e la trasfor- mano, o la decodificano, in un segnale differente. La radiazione visibile `e rappresentata, al contrario delle altre, tramite lo spettro dei colori rifratti da un prisma, una ulteriore suddivisione della banda visibile. La rappresentazione di una lampadina a incandescenza o del Sole potrebbe esser pi`u significativa, in quanto entrambi emettono principalmente in quella banda spettrale. Inoltre la suddivisone non `e compiuta per altre bande, quali la banda dell’infrarosso, che potrebbe essere divisa tra vicino e lontano infrarosso (fa eccezione il testo del Walker [64]), o la banda ultravioletta, in cui si potrebbe fare la distinzione tra UVA, UVB e UVC. Accanto all’intervallo della radiazione ultravioletta, invece, `e raffigurata una persona su una sdraio, a indicare che gli UV stimolano l’aumento di produzione di melanina da parte delle cellule del derma umano, per proteggerlo dal-
l’insorgere di danni cutanei. Si perde anche in questo caso la coerenza di intenti, poich´e l’interazione della radiazione UV con la pelle umana non ha nulla a che vedere con l’ori- gine o l’applicazione tecnologica della radiazione stessa. Si poteva optare anche in questo caso per una rappresentazione del Sole, sorgente anche di ultravioletti, o di una lampada di Wood (luce nera). Alcune radiazioni, invece, non hanno disegni affiancati, ad esempio la radiazione gamma, o, in un altro libro [60], la radiazione infrarossa e microonde. La mancanza potrebbe portare gli studenti a pensare che quelle bande non abbiano sorgen- ti o applicazioni utili. Invece la radiazione gamma `e generata da sorgenti astrofisiche oppure `e prodotta nel processo di annichilazione tra particella e sua antiparticella. Le microonde sono generate nei forni a microonde da un dispositivo chiamato magnetron, mentre la radiazione infrarossa `e generata da una sigaretta accesa, nel caso di radiazione vicino infrarossa, o da un qualsiasi corpo a temperatura ambiente o di qualche decina di gradi superiore, se si parla di lontano infrarosso. In questa categoria rientra anche l’uomo, che potrebbe essere una adeguata rappresentazione di una sorgente nel lontano infrarosso, ma non `e citato nei libri presi in considerazione.
Trovano ampia trattazione le applicazioni tecnologiche e ingegneristiche delle radiazioni spettrali, dando l’idea che siano proprie solamente di oggetti artificiali e inanimati. In particolare della radiazione ultravioletta `e sottolineata la pericolosit`a per l’uomo in molti libri [60, 61, 64–66], ma pochi parlano dei danni in relazione alla dose assunta. Nessun cenno `e fatto all’utilizzo della radiazione UVC come germicida.
I libri analizzati, ad eccezione del libro “Fisica per la Scuola Superiore” [58], non propon- gono la classificazione delle radiazioni in ionizzanti e non ionizzanti, ovvero con energia tale da poter ionizzare un atomo interagendo con esso. In alcuni testi [59, 60, 67] si definisce la radiazione gamma come radiazione ionizzante, senza specificarlo per le altre bande spettrali. Si ritiene che la classificazione possa essere introdotta gi`a dalle superiori, perch´e aiuterebbe gli studenti a sviluppare un pensiero critico riguardo alla pericolosit`a delle radiazioni, fornendo loro dei criteri oggettivi su cui basare il loro giudizio e con cui interpretare il tono, spesso sensazionalistico, dell’attualit`a.
Quasi tutti i libri analizzati compiono una trattazione microscopica per spiegare l’origi- ne delle radiazioni elettromagnetiche presentate. Spesso, per`o, la trattazione semplifica argomenti molto pi`u ampi e si confonde con la trattazione macroscopica. Ad esempio per quanto riguarda la radiazione infrarossa, nel libro “Fisica! Pensare l’Universo” [67] si legge: “La radiazione infrarossa si origina principalmente per emissione termica. Tutti i corpi, infatti, a causa dell’agitazione termica delle molecole, irraggiano energia elettro- magnetica nell’infrarosso”. Questa frase pu`o essere fuorviante per gli studenti, dato che non sono chiare sia le interconnessioni causa-effetto tra radiazione infrarossa, radiazio- ne termica e agitazione delle molecole che i livelli di lettura microscopica-macroscopica. Infatti la prima parte si riferisce a un fenomeno macroscopico, ovvero l’emissione di radiazione termica da parte dei corpi, mentre la seconda si riferisce a un piano micro- scopico, in quanto l’agitazione termica causa l’emissione. Non `e spiegato, per`o, perch´e i corpi emettano radiazione e perch´e la banda di emissione sia proprio quella infrarossa.
Infatti non vengono presi in considerazione il fattore scatenante dell’emissione, ovvero l’assorbimento di radiazione elettromagnetica, la ricerca di un equilibrio radiativo e il rapporto tra banda del picco di emissione e temperatura. Inoltre, non avendo ancora trattato il fenomeno della quantizzazione, il concetto di emissione da parte di molecole a causa della loro eccitazione e diseccitazione `e privo di significato fisico, al di l`a delle concezioni di senso comune associate.
Una considerazione simile pu`o essere fatta anche per quanto riguarda il fenomeno della fluorescenza, citata in alcuni libri [67] in relazione all’interazione della radiazione ultra- violetta con alcuni materiali. L’emissione di radiazione visibile avviene, infatti, in seguito all’assorbimento della radiazione ultravioletta da parte degli atomi della sostanza, che causa il passaggio di elettroni a un livello quantico superiore. Per fenomeni di disecci- tazione non radiativa, per`o, gli elettroni transitano a livelli quantici inferiori e quindi si diseccitano emettendo radiazione nello spettro del visibile.
Le bande spettrali sono caratterizzate da valori differenti di frequenza, o lunghezza d’on- da, ma fanno tutte parte dello stesso fenomeno fisico, ovvero propagazioni di perturba- zioni di campo elettrico e magnetico. Nonostante questo ci si riferisce ad esse, anche in un ambito quotidiano, in modi diversi, chiamandole ‘onde’, ‘radiazioni’, ‘raggi’, ‘luce’, come succede nel testo dell’Amaldi [60], rischiando di creare delle divisioni nette piutto- sto che un’unificazione. Potrebbe risultare utile per una comprensione pi`u significativa dell’argomento chiamare, almeno in fase introduttiva, tutti gli intervalli ‘radiazioni’ op- pure ‘luce’, in modo da favorire anche una continuit`a con quanto visto in precedenza nell’ottica geometrica sulla radiazione visibile.
Infine una problematica fondamentale si riscontra nella frammentazione delle bande spet- trali lungo l’intero percorso scolastico, come gi`a accennato per la radiazione visibile e come si vedr`a pi`u avanti per la radiazione infrarossa. Ad esempio alcune radiazioni, come le microonde, sono riprese nei capitoli finali dei testi di quinta Liceo Scientifico, riguardanti la cosmologia e l’astrofisica [64, 67]. Utilizzando un’organizzazione differente dei contenuti potrebbero risolversi alcuni dei problemi qui discussi, in particolare se la trattazione della radiazione visibile avvenisse insieme a quella delle altre bande spettrali, e non prima, si inserirebbe in un quadro generale, perdendo la sua posizione privilegiata. L’introduzione allo spettro e alle onde elettromagnetiche si ritiene possa essere accen- nata anche in terza superiore, nel capitolo sull’ottica geometrica e fisica, in modo da sottolineare il fatto che la trattazione valga per tutte le radiazioni elettromagnetiche.