mercoledì 8 maggio 2019

Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 2/7: la LUCE VISIBILE è un'onda EM



2° appuntamento con la radiazione ElettroMagnetica (che per comodità chiamiamo brevemente EMR o radiazione EM).
In corretta sequenza, dopo la presentazione generale, avrei dovuto iniziare ad un estremo dello Spettro, con le onde Radio, ma ho deciso di partire con la radiazione che ci è più familiare, la LUCE VISIBILE.

All'interno dello spettro EM, che è costituito come dicevamo, dall'insieme delle radiazioni EM e comprende l'intera gamma delle lunghezze d'onda esistenti in natura, solo una piccolissima porzione appartiene allo spettro visibile, cioè all'insieme delle lunghezze d'onda a cui l'occhio umano è sensibile e che sono alla base della percezione dei colori.

La luce visibile è per noi l'approccio più diretto e comprensibile dello spettro EM, perché sappiamo cos'è, lo riconosciamo.
L'aggettivo "visibile" ci dice che quella che vediamo con gli occhi è però solo una parte della Luce totale.

Quindi quant'è questa "parte" o percentuale?
In realtà la risposta è: davvero molto poca!!!
(come poca è la quantità di onde sonore che il nostro orecchio può percepire rispetto alla vasta gamma disponibile, in questo senso i nostri sensi sono davvero limitati e "studiati" per adattarsi all'ambiente meraviglioso ed unico in cui viviamo)



- La luce visibile è un'onda EM

Come molti di voi ricorderanno dalle lezioni di Scienze a scuola, tre secoli fa il grande scienziato inglese Newton scoprì che, quando un raggio di luce solare entra in un prisma di vetro, le componenti cromatiche associate alle lunghezze d'onda subiscono una rifrazione che è diversa per ciascuna di esse, su di uno schermo posto dopo il prisma: la luce sarà dispersa, colore per colore, su una vasta zona. 




Traducendo:
scomposto da un prisma di vetro, il raggio di luce visibile che sembra bianco (monocromatico) è in realtà composto dalla somma dei colori dell'arcobaleno che conosciamo, ma ognuno di quei colori, con tutte le sue numerose gradazioni, corrisponde ad una precisa lunghezza d'onda definita in nanometri "nm".



Brevissimamente, ma proprio flash, vediamo com'è composta quest'onda.


Le 3 caratteristiche principali di una onda sono:

- lunghezza d'onda (wavelength), la distanza tra due creste successive
- ampiezza (amplitude), la distanza tra una cresta ed il piano mediano che interseca l'onda
- frequenza (frequency), la quantità di oscillazioni (oscillations) che l'onda compie nell'unità di tempo (con unità di misura Hertz, oscillazioni al secondo).

La frequenza è inversamente proporzionale alla lunghezza d'onda: minore è la lunghezza d'onda, maggiore è la frequenza, e viceversa.





Ecco qui, sempre per avere più opportunità di comprendere bene, un'altra immagine dove si vede bene cos'è la singola oscillazione. 





La cosa interessante che può essere utile sapere è che ai fini della visione dei colori, 
l'ampiezza dell'onda influisce sull'intensità luminosa dello stimolo elaborato dal cervello, mentre 
la lunghezza dell'onda influenza la tonalità del colore percepito.
Ad esempio, l'onda elettromagnetica di lunghezza compresa tra i 650 e i 700 nanometri (nm) provoca in una persona con capacità visiva normale la visione del colore rosso.



- Dove si posiziona la luce visibile nello spettro EM?

Nella lunga scala che contiene tutta la radiazione EMlo spettro della luce visibile all'occhio umano è limitato come vedete ad una piccola porzione, quella che va:

da 750 nanometri nm (colore rosso) 
a 400 nanometri nm (colore viola)


Ricordate bene, perché questa è la nostra soglia nel visibile!

Lunghezze d'onda e frequenze corrispondenti a questi colori























Per curiosità, nel dettaglio, eccovi in nanometri le varie gradazioni dei colori spettrali:
>>> da 400 a 430 nm: zona del violetto
>>>  da 430 a 490 nm: zona del BLU e sue seguenti tonalità intermedie:
da 430 a 465 nm : indaco
da 466 a 482 nm : blu
da 483 a 490 nm : blu verdastro
>>>  da 491 a 560 nm: zona del VERDE e sue seguenti tonalità intermedie:
da 490 a 498 nm : verde bluastro
da 499 a 530 nm : verde
da 531 a 560 nm : verde giallastro
>>>  da 561 a 580 nm: zona del GIALLO e sue seguenti tonalità intermedie:
da 561 a 570 nm : giallo-verde
da 571 a 575 nm : giallo citrino
da 576 a 580 nm : giallo
>>>  da 581 a 620 nm:  zona dell'ARANCIONE e sue seguenti tonalità intermedie:
da 581 a 586 nm: arancione giallastro
da 587 a 596 nm : arancione
da 597 a 620 nm : arancione rossastro
>>>  da 620 a 700 nm :  zona del ROSSO e sue tonalità intermedie:
da 621 a 680 nm : rosso
da 681 a 700 nm : rosso profondo



Colori spettrali:
sono componenti identificabili attraverso la scomposizione (spettro) della luce bianca attraverso il prisma, cioé quelli qui sopra
Colori non spettrali:
non sono colori spettrali, ma altri colori visibili, come il rosa e il marrone, generati da una mescolanza di due o più dei colori spettrali
Porpore:
mescolando in varie proporzioni i due colori estremi dello spettro visibile, il rosso e il violetto, si ottiene tutta una gamma di colori non spettrali


Osservate l'immagine qui sotto; abbiamo tutta la scala della radiazione EM generale, il cosiddetto Spettro EM, dove ai due estremi abbiamo le Onde Radio (a sinistra) e i Raggi Gamma (a destra),
ma attenzione

come già detto, a volte trovate schemi con invertite le posizioni
(quindi "x, gamma" a sinistra e "infrarossi e radio" a destra).

Basta non fare confusione e ricordare che verso le onde radio l'onda si allunga verso i chilometri, mentre in direzione dei raggi gamma si accorcia fino al microscopico.
Può anche aiutare ricordare che parte degli ultravioletti è assolutamente dannosa per gli esseri umani, così come i raggi X e i raggi Gamma (onde ionizzanti), mentre l'altra parte degli ultravioletti assieme agli infrarossi e radio è innocua (onde non ionizzanti).













La stessa immagine, invertita come già avvisato può succedere, in inglese








Questo concetto è più chiaro nelle prossime 2 immagini, dove vedete chiaramente l'onda (a sinistra è molto lunga e poco frequente - radio - mentre procedendo verso i raggi gamma diventa sempre più corta e più frequente andando verso il mondo microscopico).








Ricordo, per conoscenza e chiarezza, che quando si va nel microscopico, abbiamo le unità di misura:
micrometro (µm) è la millesima parte del millimetro quindi la milionesima del metro
1 mm = 1.000 µm
1 µm = 0,001 mm = 0,000001 m

nanometro (nm) è la millesima parte del micrometro quindi la miliardesima del metro
1 µm = 1.000 nm = 0,001 mm
1 nm = 0,001 µm = 0,000000001 m


All'interno di questo ampio spettro, la luce visibile, cioé la parte di radiazione EM che il nostro occhio riesce a percepire, occupa sempre uno spazio ridottissimo (750 - 400 nm).










- La luce visibile è ancora nella fascia delle 
onde NON ionizzanti 
(quindi non pericolose per la salute)


























- La luce visibile arriva fino alla superficie terrestre e non viene quindi filtrata dagli strati atmosferici 
(come avviene invece per i raggi cosmici primari, i raggi gamma, i raggi x, parte dei raggi UV e parte dei raggi IR). Tuttavia la luce visibile, così come gli IR, non penetra nubi e foschia (in base alla densità delle nubi poi si ha maggiore o minore effetto filtro).

























E' bene sottolineare, quindi, che tutte le frequenze al di fuori del visibile non sono rivelate all’occhio umano, dunque sono invisibili (area nera della tabella).


Per poter accedere anche a quelle fasce di frequenze, servono strumenti sensibili alle onde Radio, Microonde, InfraRosso (IR), UltraVioletto (UV), raggi X e Gamma. Se per la luce visibile, le onde Radio-Microonde e parte degli IR e degli UV basta restare sulla superficie terrestre, per poter invece studiare i restanti IR ed UV, i raggi X e Gamma servono satelliti e telescopi in orbita appositamente predisposti.



- Cosa vuol dire "vedere" un oggetto?
I raggi di luce colpiscono gli oggetti, vengono da questi diffusi in tutte le direzioni, ed entrano nei nostri occhi. 
"Vedere un oggetto significa quindi essere colpiti dalla luce che l'oggetto ha ricevuto e riflesso in direzione del nostro occhio."







Per concludere 3 aspetti interessanti collegati alla vista:


1) Scrutare il Cielo è 
"Guardare nel Passato" e "Viaggiare nel Tempo"
Questo aspetto evidenzia il tempo che ci mette la luce (di una stella, ma anche del Sole o della stessa Luna) ad arrivare a noi. La luce che stiamo guardando non è partita nel momento in cui stiamo guardando (visita il post sui "Tranelli Astronomici" della serie "Forse non sapevi che..."), bensì: 


  • secondi, 
  • minuti, 
  • ore e via dicendo fino a 
  • secoli, 
  • millenni, 
  • milioni o miliardi di anni prima. 


Non è proprio un ragionamento così scontato. 
Quando mi capita di rifletterci su bene, lo trovo sempre fantastico, affascinante, emozionante e trovo che aiuti ad espandere le nostre coscienze. 




Ecco qui un esempio di come, ad un osservazione diretta ad occhio nudo, non possiamo renderci conto di quanta profondità ci sia là fuori.

La foto è conosciuta come XDF che sta per Hubble eXtreme Deep Field (campo estremamente profondo del telescopio Hubble)

In quel minuscolo quadratino rosso a fianco della Luna, ingrandito, una visione di campo profondo dell'Universo dove sono visibili decine di galassie...







Più si guarda in profondità e più il tempo arretra, perché gli oggetti lontani migliaia, milioni e miliardi di anni luce (billion years) hanno impiegato appunto migliaia, milioni e miliardi di anni per far arrivare la loro luce fino a noi...





Badate bene che quando scrivo "più si guarda in profondità e più il tempo arretra...", dovete cercare di capire che ciò è dovuto al fatto che là fuori gli spazi sono talmente immensi e sconfinati che l'idea stessa di Spazio e Tempo acquista tutto un altro senso. Tutto è così LONTANO che non riusciremmo mai, neppure con la fantasia più potente e brillante, a comprendere e raggiungerne i presunti limiti.



Spingendosi fino all'origine di tutto, il Big Bang, 13,7 miliardi di anni fa. La Radiazione Cosmica di Fondo, sempre presente in tutto l'Universo, è testimonianza di quell'epoca.












2) Nulla di ciò che vediamo in cielo - Sole, Luna, pianeti, stelle - è lì dove sembra.

(Estratto di un articolo del giornalista scientifico Piero Bianucci su "Laboratorio Tuttoscienze")
"La posizione di un corpo celeste (sia esso Stella, Sole o la stessa Luna) non è lì dove sembra essere ai nostri occhi, bensì è spostato a causa di alcuni fattori".  

Vediamo le variabili in gioco:

>>> gli oggetti celesti sono tanto lontani che la luce, pur viaggiando alla spaventosa velocità di 300.000 km/secondo, per arrivare fin da noi sulla Terra impiega 
-- 1,3 secondi partendo dalla Luna, 
-- lunghissimi incredibili 8 minuti dal Sole, 
-- ben 4 anni da Proxima Centauri, la stella più vicina, 
-- e qualcosa di assolutamente incomprensibile come 2,3 milioni di anni dalla galassia di Andromeda.

Secondi, minuti, anni di cui bisogna tener conto quando si osserva. Queste tempistiche infatti "spostano" gli oggetti rispetto a noi che guardiamo, e nel caso di oggetti "vicini" è tanto più evidente.


Per avere una chiara ed emozionante idea, pubblico qui questo video della 
Association Astro Photo Météo 53, in cui è ripresa la Luna con un telescopio amatoriale e si nota benissimo la notevole velocità con cui scorre via lungo lo schermo, tanto che è necessario correggere costantemente la direzione di puntamento se si vuole mantenerla nell'obiettivo. Chi ha avuto esperienza di questo tipo di osservazione sa quanto sia affascinante ed emozionante, perché sembra di poterla toccare, tanto viene avvinata dal telescopio. Io stesso ho avuto un fratello che mi ha fatto provare l'esperienza quando ero adolescente e non l'ho mai scordata.

Ricordatevi, guardando questo breve bellissimo video, che la luna illuminata che state guardando è la Luna di 1,3 secondi fa quindi non è veramente in diretta



Perché l'illusione che si ha sempre in questi casi è quella di essere convinti che sia davvero "vicina", ma così non è! 
Ripropongo, come altre volte ho fatto, il confronto che rende bene l'idea, per rammentare la reale distanza che ci separa da lei.




Noi siamo davvero portati a credere, guardando il video, che sia così.....










E INVECE, PAZZESCO, 
E' COSI' !!!!!!!!!!










>>> c'è il fenomeno della "aberrazione" della luce, detto anche "aberrazione astronomica" o "aberrazione stellare", legato al fatto che tutto l'universo, compreso il nostro sistema solare, è in costante ed incredibile movimento: in pratica "non solo tutti gli oggetti celesti sono in movimento, ma noi raccogliamo la loro luce osservando da un pianeta a sua volta in movimento". 





Quando ci muoviamo la pioggia sembra provenire da una zona di cielo davanti a noi, mentre in effetti proviene dalla nostra perpendicolare. 
Lo stesso effetto si verifica per la luce, che cade a perpendicolo sulla terra, ma essendo la Terra in movimento intorno al Sole, sembra che venga da una zona di cielo leggermente diversa, in avanti rispetto all'osservatore.
Così le stelle appaiono sempre proiettate in avanti (nel verso del moto della Terra) rispetto alla loro posizione reale.



Credit Roberto Zanasi

Il movimento distorce quindi la reale posizione degli oggetti osservati.


>>> poi c'è la "rifrazione" atmosferica: la luce degli oggetti celesti, che sia da loro prodotta (Sole e stelle) oppure riflessa (Luna), attraversa l'atmosfera e viene da questa deviata. 
L'entità della rifrazione dipende da

* l'altezza dell'oggetto sull'orizzonte
* la densità e temperatura dell'aria 
* il colore della luce




"Noi non ce ne rendiamo conto ma talvolta, in condizioni particolari, la rifrazione ci fa letteralmente vedere qualcosa che non c'è, almeno non lì dove lo stiamo guardando." Illusione chiamata Fata Morgana.







"In sintesi, la luce stellare viene deviata passando dal vuoto dello spazio all'atmosfera... (nell'immagine il raggio viene deviato tanto da far credere a chi osserva, che sia partito da S', mentre la reale posizione è S)  



...e poi ancora viene deviata nell'attraversamento dell'atmosfera mano a mano che incontra strati più spessi e più densi."



"Quindi la rifrazione non avviene solo nel passaggio tra vuoto e aria, bensì anche dentro ad uno stesso mezzo la cui densità varia in modo uniforme."




La rifrazione atmosferica è una deviazione curvilinea, una serie cioè infinita di brevi segmenti retti tangenti alla linea curva tale da sovrapporsi quasi esattamente ad essa."

In conclusione, la rifrazione atmosferica è talmente importante che, pensate, 
"in Italia in condizioni normali, a livello del mare e con temperatura di 0 °C, all'alba e al tramonto vediamo il Sole per intero benché esso si trovi completamente SOTTO l'orizzonte" L'illusione è chiamata Fata Morgana. 
















I raggi del Sole, entrando nell'atmosfera terrestre, devìano, dandoci l'illusione di vedere ancora il Sole, mentre esso è già tramontato. La linea rossa è la linea reale, mentre quella gialla è la linea illusoria.








"Ai poli invece, dove la notte dura circa 6 mesi, la rifrazione modifica la visibilità del Sole addirittura di 4 giorni, che significa che per 4 GIORNI si è rischiarati da un Sole che non c'è...."




3) "Colore, Visione e Creatività" 

il link ad un contributo di mia moglie sulla visione dei colori, breve e di piacevole lettura, dove si trova anche un link per effettuare un test sulla intelligenza cromatica.
Il Laboratorio di Tirtha: Colore, Visione e Creatività




Spero vi sia piaciuto, arrivederci al prossimo capitolo delle Onde ElettroMagnetiche.




Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 1/7: ma cos'è? 
Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 3/7: RADIO e MICROONDE sono onde EM 
Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 4/7: i raggi IR-INFRAROSSI sono onde EM 
Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 5/7: i raggi UV-ULTRAVIOLETTI sono onde EM 
Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 6/7: i raggi X sono onde EM
Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 7/7: i raggi GAMMA sono onde EM


Link di riferimento e ringraziamenti per la concessione d'uso di parti dei contenuti:

Fisica Generale II, A.M.Rossi, Università di Bologna, lo Spettro Elettromagnetico
Lezione di fisica della luce, del dott. Alessio Filippetti
"Perché vediamo il Sole anche quando non c'è?" di Piero Bianucci
Di Roberto.zanasi - Opera propria, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=23828270
Astro Photo Météo 53




mercoledì 10 aprile 2019

Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 1/7: ma cos'è?
























Si sente parlare tanto di "radiazione elettromagnetica" (che per brevità chiamerò anche "EMR - electromagnetic radiation"), ma l'impressione è che generalmente non si sappia esattamente cosa sia.
Eppure essa è presente tutt'intorno e anche "attraverso" di noi per ben 24 ore al giorno.

Nel pensare questo post, l'intenzione iniziale era quella di mettere tutte le onde EM insieme, ma ho subito verificato che diventava troppo lungo.
Siccome il fine di questo blog è tentare di rendere comprensibili anche contenuti complessi, questo passa non solo attraverso la traduzione del linguaggio tecnico, ma anche tramite una presentazione dei contenuti semplice, di "respiro", "digeribile" e molto pratica.
Mi è quindi sembrato ideale preparare un post per tipo di radiazione, così il lavoro è più sopportabile, voi potete andare nella sezione che vi interessa e trascurare le altre, e infine risulta visivamente anche più ordinato.


Il gruppo di post riferiti alle onde EM è così organizzato:

Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 1/7: ma cos'è? 
Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 2/7: la LUCE VISIBILE è un'onda EM
Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 3/7: RADIO e MICROONDE sono onde EM 
Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 4/7: i raggi IR-INFRAROSSI sono onde EM 
Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 5/7: i raggi UV-ULTRAVIOLETTI sono onde EM 
Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 6/7: i raggi X sono onde EM
Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 7/7: i raggi GAMMA sono onde EM 


Alla fine di questo primo post introduttivo trovate anche 6 appendici:
1) Cos'è lo "Spettro" elettromagnetico?
2) "Ionizzante" o "non Ionizzante" fa la differenza
3) Cosa succede ad un composto organico quando viene colpito da radiazione EM?
4) Sulla Terra cosa produce le "onde elettromagnetiche"?
5) Non tutta la radiazione EM raggiunge la superficie terrestre
6) Cos'è la radiazione elettromagnetica prodotta da una stella?



Prima di tutto, cosa vuol dire "radiazione"?

Il termine è generalmente utilizzato per indicare l'insieme di fenomeni che è caratterizzato dal trasporto di energia nello spazio.
La caratteristica comune a quasi tutti i tipi di radiazione (luminosa, termica, etc.) è la cessione di energia alla materia: in pratica la particella, il fotone, a contatto con la materia, può cederle la propria energia cinetica, generalmente sotto forma di energia termica e luminosa.



Se l'energia della radiazione incidente sulla materia è sufficiente a ionizzarne gli atomi
la radiazione si chiama ionizzante
Se la radiazione ionizzante investe un tessuto biologico può creare danni biologici
agendo sul DNA e impedendogli di riprodursi in modo corretto.



Perché la radiazione 
è stata chiamata elettromagnetica?

Prima di partire con i vari tipi di radiazioni EM conosciute, è necessario capire perché sono state chiamate così, e come al solito vi presento alcuni contributi presi dal web, per rendere la comprensione più accessibile.
Però, per cortesia, leggete lentamente, in modo di cercare di capire cosa cerca di spiegarvi la definizione:





- la radiazione EM è una forma di energia che si propaga









Le onde EM sono il prodotto dell'accelerazione di cariche elettriche







Esse hanno la caratteristica di interagire fortemente con la materia, quindi l'informazione che portano all'osservatore e' sempre il risultato della combinazione di quella iniziale e di quelle successivamente raccolte durante il viaggio dalla sorgente all'osservatore.










- le onde EM sono delle perturbazioni che partono da una sorgente e si propagano nel tempo e nello spazio, trasportando energia.







Altri esempi di Onde in natura sono:



- le increspature sull’acqua quando gettiamo un sasso 











– gli tsunami che sono onde che trasportano tantissima energia e sono in grado di distruggere chilometri di costa 









– le scosse sismiche di un terremoto 










- il suono che si propaga nell’aria e che, alla giusta frequenza, può rompere un bicchiere








"Certo, non tutte le onde sono uguali. Alcune onde oscillano in un modo, altre in un altro, alcune hanno bisogno di un mezzo in cui propagarsi, altre invece possono viaggiare anche nel vuoto.
Però in definitiva tutti i fenomeni EM, come le microonde, gli infrarossi, i segnali radio, i raggi X e quelli ultravioletti, la luce, si propagano come delle onde e trasportano energia" (F. Bussola).


Le onde EM sono generate da cariche elettriche, si propagano nel vuoto con la stessa velocità, indipendente dalla frequenza, e interagiscono con cariche elettriche.










Nella pratica, le onde EM, in dipendenza dalla banda di frequenze considerata, sono generate da sorgenti diverse, producono fenomeni diversi, e diversi sono i rivelatori utilizzati per osservarle









- A basse frequenze, onde radio e microonde, le cariche elettriche sono elettroni liberi di muoversi nei conduttori metallici di antenne o elettroni liberi e ioni nello spazio
- A frequenze maggiori, infrarosso-IR, le cariche in moto sono associate principalmente alla rotazione e vibrazione di molecole e al moto di atomi legati assieme nei materiali
- Le onde EM, nelle bande del visibile, ultravioletto-UV e raggi X, hanno frequenze che corrispondono a cariche negli atomi (radiazione da sincrotrone, bremsstrahlung...)
- I raggi gamma sono associati con frequenze che corrispondono a cariche nei nuclei atomici (interazioni tra particelle…)








- La radiazione EM è una forma di trasmissione di energia attraverso lo spazio vuoto, oppure attraverso un mezzo in cui i campi elettrici e magnetici si propagano sotto forma di onde
Un'onda è una perturbazione che trasmette energia attraverso un mezzo.

- E' una forma d'energia che si propaga nel vuoto alla velocità della luce
E' composta da un campo elettrico e uno magnetico legati e rapidamente oscillanti

Ecco che comprendiamo perché è stata chiamata ELETTRO-MAGNETICA.

Dalla combinazione dei due effetti nasce l'onda elettromagnetica che si propaga nello spazio trasportando energia anche dopo che la particella originaria ha smesso di oscillare.
Il campo elettrico ed il campo magnetico
possono propagarsi a distanza indefinita dalla sorgente, sostenendosi l’un l’altro: i campi, cioè, si portano dietro le loro sorgenti!



Come gli altri tipi di onde, anche quelle EM sono soggette ai fenomeni tipici, come la riflessione, la rifrazione, la diffrazione e l'interferenza, e non comportano trasporto di materia ma di energia: si tratta di energia elettromagnetica o radiante, che viene trasportata in quantità proporzionale alla frequenza dell'onda EM.







Incurvamento di un raggio luminoso che penetra nell'atmosfera (molto esagerato!).

Se la stella si trova in S, ad un osservatore O situato sulla superficie terrestre sembra che la stella sia in realtà situata in S', ossia un poco più alta sull'orizzonte, ma è stata la Rifrazione Astronomica degli strati atmosferici sempre più densi mano a mano che ci si avvicina alla superficie, a provocare la distorsione





L'energia della radiazione dipende dalla lunghezza d'onda, la quale può variare da:
> le onde radio (le meno energetiche, dette anche "non ionizzanti" e quindi non pericolose per noi) 
> le microonde
> i raggi infrarossi
> la luce visibile (quella cioè che noi possiamo vedere)
> i raggi ultravioletti (una parte di queste onde è dannosa e da qui in poi iniziano le onde dette "ionizzanti", pericolose per noi)
> i raggi X
> i raggi gamma
> fino ai raggi cosmici


- La caratteristica peculiare comune a tutti questi fenomeni è il trasferimento di energia da un punto a un altro dello spazio senza che vi sia il movimento di corpi macroscopici e senza il supporto di un mezzo materiale. Quando la propagazione di energia avviene secondo queste modalità si dice che si è in presenza di "radiazione".



Le onde EM quindi non necessitano di un mezzo materiale per potersi propagare
La luce e le onde radio emesse dal Sole e dai corpi celesti possono infatti viaggiare attraverso lo spazio interplanetario e interstellare e giungere fino alla superficie terrestre






La velocità di propagazione nel vuoto è uguale per tutte le frequenze della radiazione e.m. ed è,  ad essere precisi, di 299.792 km al secondo (la famosa impareggiabile velocità della Luce). 

Essa si muove attraverso lo spazio sempre alla stessa velocità indipendentemente dalla sua lunghezza d’onda e/o energia.

In mezzi diversi tuttavia la velocità cambia, ad esempio nell'aria diminuisce dell'1% mentre nel vetro si riduce a circa 100.000 km/sec.







Ora per proseguire dobbiamo necessariamente affrontare un argomento decisivo;
 niente di tremendo, non scivoleremo nel tecnico astruso e indecifrabile, tranquilli

La scoperta della 
duplice natura della luce  
"Dualismo Onda-Corpuscolo"



La radiazione EM, la luce, si è rivelata essere 
allo stesso tempo un’onda e un insieme di particelle (i fotoni).

Com'è possibile? O è l'una o le altre!
In effetti la fisica ci dice, come principio cardine, che 
TUTTE le particelle 
hanno una natura corpuscolare e una ondulatoria, si comportano quindi come corpuscoli o come onde, in base a come le si studia

"Sembra un paradosso ed in effetti è uno dei più difficili da accettare".

Il fisico Bussola esordisce nella sua pagina sulla radiazione EM, con questa frase che efficacemente anticipa il concetto ma anche invita all'atteggiamento giusto

"cercate di fidarvi di quello che vi dico e, se alcune cose vi sembreranno assurde, 
mantenete una mente aperta e curiosa: è la natura che vi sfida, non io" .


                                                                                                                      Cito a questo proposito una mia introduzione ad un post, che sottolineava questo importante e non secondario punto                                                                                                                                                                              ..."continuamente vengono effettuate nuove scoperte che poi devono essere vagliate e confermate dal mondo scientifico. Queste nuove scoperte, una volta confermate, modificano i dati in nostro possesso, quindi occorre essere aperti di mentalità, pronti a mettere in discussione anche paradigmi che credevamo ormai assodati da anni.                                                                                                                                                                                                                               Così l'invito è ad affascinarsi alla materia e ad essere sempre curiosi e "affamati" di conoscenza, ma restando comunque aperti ed elastici.                                                                                                                                        Non esiste "o nero o bianco", ma tante infinite sfumature di colori, l'Universo insegna.                                                                                                                                                                                                                      Non fossilizziamoci quindi sui dati ma restiamo aperti come bambini di fronte ad un mondo pieno di sorprese e capaci di sorprenderci ed entusiasmarci.                                                                                                    Guai a perdere questa caratteristica, pur restando coi "piedi per terra".                                                                                                                             mio figlio Francesco, da piccolo, incantato dalle bolle di sapone                                                                                                                                                                        

                                                                                                                                                                     




Samuele di Blogzero, ingegnere informatico, aggiunge una descrizione interessante:

"ragionare sulla fisica quantistica significa ragionare sull’infinitamente piccolo, su di un mondo che funziona in modo completamente diverso da quello a cui siamo abituati, e di cui è impossibile capire le basi usando la logica “classica” … e proprio questo è uno dei motivi per cui è così interessante!" 



La scoperta del dualismo onda-corpuscolo è stata fatta attraverso 
un famosissimo esperimento nel campo fisico, detto 
"della doppia fenditura" (double slit). 
Vediamo tra un attimo in cosa consiste.





la radiazione EM può essere analizzata da 2 punti di vista, proprio perché essa si presenta in entrambi i modi:
1) la teoria ondulatoria - quindi un'onda
2) la teoria corpuscolare o quantica - quindi una particella

In breve, come si è passati dall'una all'altra?

Prelevando un estratto molto chiaro e comprensibile dal blog del fisico Francesco Bussola (gentilmente concesso, trovate in fondo l'autorizzazione), ecco una descrizione semplice per capire il concetto. 
"Quando 2 onde si incrociano, si sommano o si cancellano a vicenda dando origine a delle forme particolari con dei picchi – dove le creste delle onde si sommano – e delle conche, come vedete qui sotto. 




La natura ondulatoria della luce è stata scoperta grazie agli studi sulle "figure di interferenza"
Un raggio di luce che passa attraverso una parete con un foro produce dall'altra un punto (corpuscolo)



Ma se lo stesso raggio passa attraverso la parete dove ci sono 2 fori molto vicini, produce 2 punti? Niente affatto, incredibilmente si forma la seguente figura di "interferenza", così chiamata



La luce infatti NON si comporta come una freccia che viaggia dritta, ma come un’onda. Arrivata alle fenditure si propaga in maniera ondulatoria in tutte le direzioni e, come nell’animazione di prima, le increspature si combinano (interferenza) creando dei picchi e delle conche sullo schermo, ossia delle zone illuminate e delle zone d’ombra. 
Questa volta non si tratta di onde del mare, ma di onde di luce".









quindi






- Presentando tutte le caratteristiche del moto ondulatorio, le onde EM possono dar luogo a fenomeni 
di "diffrazione"... 

(più è stretta la fenditura attraverso cui passa la sorgente di luce, più si evidenzia l'effetto diffrazione rivelando la componente ondulatoria della luce - figura a fianco e animazione sotto)






...e di "interferenza" 

(in presenza di 2 fenditure molto vicine si ottiene la sovrapposizione dell'effetto delle due onde, con delle bande chiare ed altre scure; in quelle chiare l'intensità dell'onda risultante è maggiore di quella di partenza, in quelle scure l'intensità dell'onda risultante è minore di quella di partenza)





Per avere ancora più chiarezza sulle figure di interferenza vi aggiungo queste 3 slide che facilitano.

Interferenza "costruttiva" nelle zone chiare, "distruttiva" nelle zone scure


Ecco cosa accade in quelle due zone, le particelle vanno ad accumularsi o ad annullarsi


a seconda che l'interferenza sia costruttiva, l'onda risultante di sinistra, 
o distruttiva, la risultante di destra 
(i "picchi" e le "conche" di cui parlava Francesco)






Come ci ricorda anche Samuele di Blogzero, questo esperimento è stato fatto anche con 





proiettili 








onde d'acqua, sì acqua, non EM. Potete vedere chiaramente che si verifica di nuovo la figura di "interferenza" descritta prima






elettroni - vedete che, pur essendo puntini, essi si dispongono però come fanno le onde







"Come vedete anche gli elettroni, che sono particelle con una massa ben definita, "sparati" uno ad uno si comportano come onde attraversando le 2 fenditure, però quando si depositano sulla lastra sono di nuovo particelle! Come fanno ad interferire con se stessi come se fossero delle onde?

Per produrre l’interferenza, l’elettrone deve essere per forza un’onda e passare contemporaneamente dai due fori, ma come può una particella essere un’onda mentre attraversa lo schermo e poi tornare particella quando colpisce il bersaglio? Le singole particelle sono ben visibili sulla lastra!"


                                                                                                                        Con tanta pazienza e tanto studio, ma soprattutto mente aperta e non distorta da pregiudizi e schematismi, alla fine si arriva alla risposta, e come spesso accade tutto acquista un senso più completo                                                                                                             

"Nel mondo quantistico gli elettroni, cioè la materia, sono allo stesso tempo sia onda che particella, e anche se questi concetti non sembrano compatibili, nel mondo dell’infinitamente piccolo (nel mondo quantistico appunto) essi sono due concetti complementari. 
Dobbiamo pensarli come due facce della stessa medaglia, più precisamente 
l’onda indica la probabilità che 
una particella si trovi in un punto


Fino a quando l’elettrone non si rivela sul bersaglio, 
esso non si trova mai in un punto preciso dello spazio, 
ma esiste in uno stato potenziale astratto descritto appunto dall’onda corrispondente, che si propaga ovviamente come un’onda e non secondo la traiettoria classica definita delle particelle. 

Una volta che l’elettrone arriva sul bersaglio 
rivela la sua essenza di particella e noi lo vediamo nella sua natura corpuscolare".

Dall'alto in basso, quantità di elettroni sparati:

10






200





6.000






40.000





200.000





Grazie anche a te, Samuele, per la chiara e bella spiegazione.


- Albert Einstein evidenziò così nel 1905 che le EMR si comportanonell'interazione con la materia ponderabile (che è cioè possibile pesare), come se fossero costituite dai Quanti detti fotoni (in fisica il quanto è la parte più piccola, discreta ed indivisibile di una grandezza; fu il fisico Max Planck per primo a introdurre il concetto di Quanto).
I fotoni, infatti, sono i Quanti di luce della radiazione e.m., particelle di Luce o granuli di energia. 
Furono messi in luce altri fenomeni di interazione tra radiazione e materia, spiegabili solo in virtù della teoria quantica. 



Ecco invece l'esperimento che segnala 
la natura quantica-corpuscolare della radiazione EM


Effetto Fotoelettrico 



Se una EMR colpisce una superficie metallica, questa acquista una carica elettrica positiva: studiando questo effetto Einstein scoprì che questa carica non si accumula in maniera continua bensì a scatti, discreta, secondo piccole quantità chiamate i Quanti (Meccanica Quantistica - Einstein). 

Cosa vuol dire "a scatti"? Incrementando lentamente l’energia non accadeva nulla fino a quando, tutto a un tratto, la carica del metallo aumentava di un po’.

Compton scoprì in seguito che i quanti si comportano però come vere e proprie particelle e non hanno massa, Si possono scontrare con le altre, come bilie sul biliardo, e si possono contare. 



La luce, quindi, che fino a quel momento era considerata un fenomeno ondulatorio, è ritenuta ora avere anche una natura corpuscolare, cioè composta di piccole particelle, i Quanti, chiamati poi "fotoni", che sono particelle di Luce o granuli di energia.




 



Vediamo ora come è fatta quest'onda della teoria ondulatoria


Secondo questa teoria una EMR è costituita dalla combinazione di 
- un'onda elettrica (rossa) e 
- un'onda magnetica (blu)




I due campi sono strettamente legati tra loro. Se aumenta il campo magnetico, aumenta anche il campo il campo elettrico, e viceversa. Sono la causa determinante l'uno dell'altro. 


Il campo magnetico è la sorgente del campo elettrico e il campo elettrico è la sorgente del campo magnetico. Per questo motivo se aumenta l'uno, aumenta l'altro e se si riduce uno, si riduce anche l'altro.






Qui l'immagine in inglese con i colori però invertiti






Queste 2 onde (nell'immagine, in basso) si propagano vibrando su piani che sono ortogonali (perpendicolari) tra loro e ortogonali rispetto alla direzione di propagazione (onde trasversali).

Per semplicità, altro punto importante da registrare, si fa riferimento solo alla componente Elettrica (rossa), nel senso che è sottinteso che esiste anche una componente magnetica ortogonale.

Altra cosa importante da registrare, la componente elettrica della radiazione (rossa) è quella che interagisce con la materia e viene da questa assorbita.



La radiazione EM si comporta come un'onda che viaggia alla velocità della luce e può essere descritta in termini della sua lunghezza d'onda e della sua frequenza di oscillazione, come vedete ben riassunto nell'immagine qui a fianco dove troviamo i due esempi che fanno da confine alla luce visibile, la luce ultravioletta (frequenza più corta e lunghezza d'onda minore) e la radiazione infrarossa (frequenza più lunga e lunghezza d'onda maggiore).






Frequenza e Lunghezza d'onda 
secondo la teoria ondulatoria 
la lunghezza d'onda è inversamente proporzionale alla frequenza


Quindi più aumenta la lunghezza dell'onda, più si riduce la frequenza e viceversa più si riduce la lunghezza d'onda e più aumenta la frequenza.













E' abbastanza intuitivo in fondo, immaginate di prendere i due estremi di una molla: 
se li tirate (> lunghezza) le spire si allungano (< frequenza), 
mentre se le comprimete (< lunghezza) esse si accorciano e schiacciano (> frequenza). 
Facile no?!
                                                                                       


                                                                                                                                                                                                                                                                                              Attenzione                                                                                                                                                                                                                                                            la maggior parte delle slide o immagini che ho trovato riporta i raggi gamma a destra, mentre solo questa che ho messo poco sopra segue l'indicazione delle frecce. Non cambia nulla in realtà, basta sapere come siamo orientati.                                       Le altre schede riportano i raggi gamma a sinistra.                                                                                                                  


Energia, Frequenza e Lunghezza d'onda 
secondo la teoria corpuscolare
la radiazione EM si comporta come una particella, il fascio di particelle dette fotoni ha una determinata energia, e tale energia è direttamente proporzionale alla sua frequenza ma inversamente proporzionale alla lunghezza. 




Spostandosi dalle onde radio verso le onde gamma e i raggi cosmici aumenta l'energia dei fotoni, il fascio di particelle che costituisce le onde EM. In questo caso questa è energia per noi mortale.
Nell'esempio della molla, comprimendola sempre più aumenta l'energia.




Eccoci ora alle 4 appendìci




1) Cos'è lo "Spettro" elettromagnetico?





















Lo Spettro elettromagnetico (EM) è costituito dall'insieme delle radiazioni EM e comprende l'intera gamma delle lunghezze d'onda esistenti in natura, dalle onde lunghissime, alle onde cortissime e fenomeni fisici apparentemente diversissimi come:
- le onde radio che trasportano suoni e voci nell'etere
- i raggi X che impressionano le lastre radiografiche
- i raggi ultravioletti che sono percepiti in modo indiretto (la sovraesposizione della pelle ai raggi UV causa scottature)











Sul web c'è un'ampia scelta di immagini per rappresentarlo, più o meno complete, più o meno sintetiche, ma tutte ugualmente stimolanti e divertenti.
Ne metto qui poche, tanto poi in questa serie di 8 post dedicati all'argomento le ritroverete tutte.






















Ricordate comunque, come ho avvisato poco fa, che potete trovare lo spettro anche invertito, a seconda che si parta da sinistra o da destra; non cambia niente, basta solo saperlo.

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2) "Ionizzante" o "non Ionizzante" 
fa la differenza

Basse frequenze e lunghezze d'onda elevate corrispondono a radiazioni a basso contenuto energetico (onde radio, non ionizzanti - qui sotto, a sinistra).
Alte frequenze e lunghezze d'onda corte corrispondono ad alto contenuto energetico (raggi gamma, ionizzanti - qui sotto, a destra).















"radiazione non-ionizzante", che da una piccola parte dell'ultravioletto va tutta verso le onde lunghe; per noi significa vita, cioè radiazione non dannosa

"radiazione ionizzante" che invece dal resto dell'ultravioletto va verso raggi x, gamma e cosmici; "ionizzante" nel senso di Ioni+ o cationi, come abbiamo visto, equivale a pericolo, danni gravi alla salute.


Quanto più alta è la frequenza delle onde e tanto più nociva è la conseguenza sugli esseri viventi che sono esposti. Le onde a elevata frequenza generano anche pericolose radiazioni "ionizzanti".
Sono chiamate così perché possono rompere i legami atomici nella struttura molecolare di un organismo vivente


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3) Cosa succede ad un composto organico 
quando viene colpito da radiazione EM?


- In generale tutte le componenti della radiazione EM provocano nello stesso istante reazioni diverse nella superficie/sostanza che colpiscono, a seconda della lunghezza d'onda.





Quando un fascio di EMr attraversa una determinata sostanza, la radiazione può essere assorbita e provocare un aumento dell'energia interna della sostanza.

Tale aumento di energia interna provoca una serie di fenomeni, diversi a seconda del tipo di radiazione:
- le radiofrequenze riescono solo a interagire con lo spin (rotazione) di alcuni nuclei
- le microonde inducono rotazioni nelle molecole
- le radiazioni IR amplificano le naturali oscillazioni dei legami molecolari
- le radiazioni UV/visibile riescono a eccitare gli elettroni di valenza
- i raggi X riescono ad "estrarre" gli elettroni più vicini al nucleo

Quindi in sostanza, a seconda del tipo di energia assorbita, la molecola può
- subire un aumento della vibrazione degli atomi
- subire un aumento della rotazione degli atomi
- far saltare un elettrone a un livello energetico superiore


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4) Sulla Terra 
cosa produce le "onde elettromagnetiche"?


Le onde EM vengono emesse da 


- fulmini 
I fulmini e le nuvole temporalesche sono 
acceleratori di particelle naturali che emettono raggi gamma; accelerano elettroni fino ad energie di diverse decine di megaelettronvolt e i potenti fotoni gamma ottenuti danno origine a positroni (antimateria) e a neutroni in seguito all’interazione con l’atmosfera
Abbiamo questa idea che l’antimateria sia 
qualcosa che esiste solo nella fantascienza, e invece, incredibilmente, essa viene prodotta proprio durante un temporale.

Per dare un'idea delle potenze in gioco, poi, considerate che quella del Tuono deriva dal fatto che l’aria presente nei ristretti canali che trasportano la corrente elettrica dei fulmini, si riscalda in pochi millesimi di secondo raggiungendo temperature di ben 15.000°C!!




A proposito, quando c'è il temporale, MAI ripararsi sotto ad un albero o passeggiare con l'ombrello se ci sono tuoni e fulmini!!!











- correnti elettrostatiche 
che si formano in un dato spazio per scontro di masse con polarità diversa  












anche per strofinio 

di due materie diverse




Sono molto pericolose.
                                                                                                                                                                                                                   



                                                                                                      
Ancora, le onde EM 
vengono soprattutto emesse da



- stazioni radio di ogni genere 











- radar







- i cellulari 









- i forni a microonde ed elettrodomestici







- impianti elettrici domestici


- apparecchi elettromedicali 
di indagine sanitaria 










- lo strofinìo di spazzole sul collettore di motori elettrici 











- centrali elettriche, elettrodotti, cabine di trasformazione, macchine operatrici industriali (bassa frequenza ELF), etc etc etc...

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              
                                                                                                                                   
Nell'immagine qui sopra traduco per gli amici stranieri, anche se poi ci sarà un post apposito per le onde radio:
Criterio di Origine: 
campi naturali 
- raggi cosmici (a frequenze più elevate dei raggi gamma)
- radiazione del Sole (luce visibile, raggi ultravioletti, raggi X)
- magnetismo della Terra

Criterio di Frequenza:
bassa (ELF)
elettrodotti, centrali elettriche, cabine di trasformazione e, anche, l'impianto elettrico domestico, gli elettrodomestici, le macchine operatrici industriali, etc.
Alta
- trasmissione di onde per telecomunicazione (radio, televisione, telefonia cellulare, radare)
- presenti in ambito domestico (il forno a microonde)
- in ambito sanitario (apparecchiature radiografiche)


                                                                                                                                        Praticamente, 
24 ore su 24 e per tutta la nostra vita, 
siamo continuamente avvolti ed attraversati da milioni di 
onde EM più o meno potenti.

Comunque non ci sono certezze che le onde EM siano dannose.
Lo stesso Pianeta Terra, fin dall'inizio della sua generazione,
ha emesso ed emette onde EMincluse radiazioni pericolosissime


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5) Non tutta la radiazione EM 
raggiunge la superficie terrestre

Parte della EMR viene totalmente filtrata dagli strati atmosferici (raggi cosmici primari, raggi X, parte degli UV e parte degli IR). Inoltre le onde Radio subiscono interferenze attraversando l'atmosfera, mentre la radiazione visibile e quella IR non penetrano nubi e foschia.



Solo portando strumenti di osservazione nello spazio (palloni sonda, satelliti...) è possibile estendere l'informazione a tutte le frequenze EM.

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6) Cos'è la radiazione elettromagnetica 
prodotta da una stella?


Un fenomeno astronomico non può essere ripetuto ma soltanto osservato da un unico punto di vista, spesso nemmeno per un tempo sufficiente a seguirne interamente lo svolgersi.

molti di noi conoscono lo spettro elettromagnetico
 illustrato nell'immagine

L'immagine seguente è l'equivalente in inglese, tolta la rappresentazione dell'onda, ma chiaramente come avrete notato è invertita, le onde radio partono da destra. Basta fare attenzione.



Le vite dell'essere umano e l'intera storia dell'umanità non sono che briciole se confrontate con i "Tempi Cosmici" della vita degli astri. 

Proprio a causa della "distanze cosmiche" degli astri e dei loro tempi di evoluzione non paragonabili a quelli della civiltà umana, l'unico modo per ottenere informazioni certe sulle stelle è studiare la radiazione da queste emessa.




Quando noi guardiamo una stella nel cielo notturnoquella luce che vediamo è solo una piccola parte della radiazione emessa dalla stella. Con strumenti scientifici adeguati e specificamente predisposti, si possono registrare anche le altre frequenze.




alcune frequenze oltre a quella della luce visibile
Ogni stella infatti, grazie a una serie di reazioni termonucleari che avvengono al suo interno, produce energia che in parte viene emessa nello spazio circostante sotto forma di radiazione EM (radiazione che arriva nella nostra atmosfera, post 3/4 alta atmosfera).

Una piccola frazione di questa radiazione è percepibile dall'occhio umano come luce visibile ed è quella che ci fa apparire la stella luminosa (nell'immagine dello spettro all'inizio di questa appendice, nell'immagine sopra e qui a fianco paragonata alla altre frequenze), ma ripeto è solo una piccola frazione.

La radiazione viaggia nello spazio alla massima velocità possibile, circa 300 mila km al secondo (vedi post distanze e tempi di percorrenza), e rappresenta quindi la portatrice di informazioni più veloce esistente in natura. Dal suo studio è possibile risalire alle caratteristiche della stella che l'ha prodotta, come ad esempio temperatura superficiale e composizione chimica.


E' bene avere chiaro in mente a cosa si fa riferimento quando si parla di radiazione o onda EM.
Tenetevi pronti per viaggiare insieme attraverso le altre frequenze più o meno conosciute e familiari.

A presto e arrivederci.



Riassunto catena post:
Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 1/7: ma cos'è? 
Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 2/7: la LUCE VISIBILE è un'onda EM
Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 3/7: RADIO e MICROONDE sono onde EM 
Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 4/7: i raggi IR-INFRAROSSI sono onde EM 
Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 5/7: i raggi UV-ULTRAVIOLETTI sono onde EM 
Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 6/7: i raggi X sono onde EM
Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 7/7: i raggi GAMMA sono onde EM




Siti di riferimento

https://www.ecoage.ihttps://www.ecoage.it/campo-elettromagnetico.htm

“Tratto da Francesco Bussola (www.francescobussola.it), CC-BY-NC 4.0”
http://www.francescobussola.it/la-dualita-onda-particella/
licenza Creative Commons

Fisica Generale II, A.M.Rossi, Università di Bologna, lo Spettro Elettromagnetico
https://carlodellatorre.blog/2017/02/20/cose-la-luce/
http://people.unica.it/michelabegala/files/2010/10/MF1.pdf
http://www.blogzero.it/2009/11/20/esperimento-piu-bello-dualismo-onda-particella/#sthash.wXFgqCr7.dpbs
http://www.fisica.unige.it/~tuccio/SSIS/2007_Tedone-luce.pdf
http://media.cism.it/attachments%2Fregole_REV.pdf
Corso di Radioastronomia AFAM

Agenzia Provinciale per l'Ambiente e la Tutela del Clima - APPA




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