ELEMENTI DI SPETTROSCOPIA
La spettroscopia riveste un’importanza fondamentale nella ricerca astronomica e scientifica, in generale.
Con la sola esclusione dei raggi cosmici, infatti, gli unici testimoni che possiamo interrogare per
conoscere come sono fatte le stelle e le galassie, come evolvono, come si muovono, sono proprio le onde
elettromagnetiche che questi corpi irradiano nello spazio e dopo milioni o miliardi di anni giungono fino a
noi. Occorre però analizzare accuratamente la struttura di tale radiazione, in particolare occorre
scomporla,separando le diverse lunghezze d’onda che vi sono sovrapposte e misurando le intensità
relative ad ogni lunghezza d’onda. Questo compito,che è quello di interpretare i messaggi che le stelle ci
inviano e di capire il linguaggio che parlano, è assolto dalla spettroscopia.
Innanzitutto per introdurre lo studio spettroscopico è bene ricordare che gli atomi presentano
un’importante proprietà che è quella di emettere e assorbire energia sotto forma di luce. Dall’analisi della
luce emessa e assorbita dagli atomi di un corpo (questa è la spettroscopia),gli scienziati possono
apprendere molto circa la composizione,la temperatura,la densità di quel corpo. I. Newton fu il primo a
mostrare che la luce bianca è in realtà il risultato della sovrapposizione di tutti i colori dell’iride. Egli fece
attraversare un prisma di vetro da un fascio di luce collimato da una fenditura:il fascio ne usciva più
aperto e scomposto in una sequenza di colori varianti con continuità dal rosso (circa 0,8 micrometr9i meno deviato)al blu (circa 0,4 micrometri) con tutte le sfumature intermedie (spettro continuo). Newton
concluse che tutti questi colori erano presentì nel fascio di luce iniziale;il prisma non faceva altro che
rivelarli,separandoli. Egli notò inoltre che nessun colore dello spettro poteva essere ulteriormente
suddiviso in componenti. Se p.es. si pone un prisma sul cammino di un fascio di luce monocromatica (di
un solo colore - es.verde),ciò che ne esce è ancora e solamente luce monocromatica(verde).Ma se al
contrario si usa un fascio di luce porpora (un colore che si ottiene mischiando rosso e blu),il prisma separa
queste due componenti distinte .Più in generale,Newton dedusse che un prisma poteva essere usato per
rivelare quali colori fossero presenti in un fascio di luce. L’esperienza mostra che ogni corpo
solido,portato all’incandescenza (ogni gas denso,caldo e supercompresso)emette uno spettro continuo di
luce (p.es. una normale lampadina ad incandescenza).
Per definizione,quindi,si indica come spettro quell’immagine ottenuta scomponendo una qualsiasi
radiazione elettromagnetica complessa,escluse cioé le radioonde,nella singola radiazione a diversa
lunghezza d’onda che la compongono. Vi sono vari tipi di spettri:spettri di emissione,di
assorbimento,continui o discontinui.
Si dice spettro di emissione quello ottenuto per eccitazione(salti energetici degli elettroni ad alta
temperatura) di una qualsiasi sostanza in maniera che emetta radiazione che verrà poi scomposta;un tale
tipo di spettro può essere continuo o discontinuo. Se è continuo esso presenta una fascia luminosa
colorata continua (a bande), altrimenti se è discontinuo (a righe) esso presenterà solamente delle righe
luminose variamente colorate e distanziate a seconda della sostanza emettitrice. Generalmente i solidi e i
liquidi hanno spettri continui, mentre i gas presentano spettri discontinui.
E’ di fondamentale importanza l’avere scoperto che in quest’ultimo tipo di spettri il numero, la posizione
ed il colore delle varie righe è caratteristico di una ed una sola sostanza, ovvero non esistono due
sostanze diverse aventi spettri di emissione uguali. Pertanto, lo spettro di emissione di una sostanza è un
po’ come l’impronta digitale per un individuo (o il codice a barre di un prodotto commerciale),
consentendoci così di rivelare la presenza di quella sostanza sia nelle sorgenti di luce in laboratorio, sia in
quelle che si trovano in ogni angolo del cosmo. Per es. il neon presenta le sue righe più luminose nella
banda del rosso, il che spiega il tipico colore rosso delle insegne al neon; per lo stesso motivo, le lampade
al sodio sono di colore giallo ecc. Ovviamente ogni colore, e quindi ogni posizione nello spettro a righe,
corrisponde ad una ben determinata lunghezza d’onda.
Gli spettri di assorbimento sono spettri continui in cui una o più zone risultano oscure (righe di
assorbimento); ciò si può ottenere interponendo fra una sorgente a spettro continuo ed il sistema di
osservazione la sostanza da esaminare(es. gas freddi che circondano le stelle – spettro del sole).Dallo
spettro continuo sono perciò eliminate quelle radiazioni che la sostanza emetterebbe se fosse portata
all’incandescenza.
Tutti gli elementi ed i composti chimici variano il proprio spettro caratteristico quando sono ionizzati e
quando partecipano ad una reazione chimica; generalmente in questi
casi le righe sono spostate verso lunghezze d’onda inferiori.
La varietà dei tipi spettrali stellari (O,B,A,F,G,K,M), con natura sostanzialmente omogenea, dipende non
solo dagli elementi chimici costitutivi ma anche dalla temperatura;vale a dire che a differenti temperature
si hanno spettri diversi. In definitiva il tipo spettrale di una stella dipende dalla composizione chimica e
dalla temperatura del corpo emittente. Gli spettri continui,per la loro intima caratteristica, ci forniscono
informazioni solo sulla temperatura e non sulla composizione della sostanza emettitrice; infatti quanto
maggiore è la temperatura,tanto maggiore è l’intensità dello spettro nella zona del blu.
L’effetto Doppler è quel fenomeno per cui una radiazione proveniente da una sorgente in
movimento,relativamente all’osservatore,muta la propria lunghezza d’onda caratteristica;in particolare se
la sorgente si allontana la lunghezza d’onda aumenta e viceversa( es.il fischio del treno in movimento).
Ogni variazione di lunghezza d’onda è proporzionale alla velocità di spostamento relativo della sorgente.
Tale fenomeno è di particolare importanza in astronomia per lo studio delle velocità radiali,rispetto alla
Terra,dei corpi celesti. La velocità viene rilevata confrontando lo spettro in esame con uno spettro
campione dello stesso tipo di emissione,fermo,però,rispetto all’osservatore. Tutti i corpi celesti
extragalattici di cui è stato osservato lo spettro presentano uno spostamento verso il rosso,cioè verso
radiazioni a lunghezze d’onda maggiori,più o meno accentuato;ciò dimostra che l’universo è in
espansione. In astronomia tale spostamento verso il rosso è detto”red shift”ed è direttamente
proporzionale alla velocità di allontanamento del corpo (V = hd – legge di Hubble).
Gli strumenti usati in tale campo di indagine sono gli spettroscopi e gli spettrografi( con registrazione
fotografica),apparecchi che, attraverso la separazione di una radiazione policromatica in una serie di
radiazioni monocromatiche,consentono l’analisi chimica a distanza dei corpi celesti. Poiché ogni sostanza
assorbe od emette radiazioni dl lunghezza d’onda ben determinata, 1’analisi dello spettro permette quindi
di individuare la natura della sostanza (ana1isi qua1itativa).Queste radiazioni caratteristiche della
sostanza saranno emesse o assorbite con un’intensità tanto più forte quanto maggiore è la quantità della
sostanza esaminata;l’esame dell’intensità delle righe spettrali di emissione o di assorbimento permette
quindi di risalire alla quantità o concentrazione della sostanza,e cioè dl compiere un’analisi quantitativa.
Prof. Antonio Colonna
