L’INTERAZIONE LUCE-MATERIA
LA LUCE
La luce visibile è formata dalle onde elettromagnetiche, vibrazioni di campi magnetici
ed elettrici che si propagano nello spazio. Contrariamente alle analoghe onde oceaniche
che hanno un moto molto lento, le onde elettromagnetiche viaggiano alla velocità della
luce: 300.000.000 metri al secondo, 1.080.000.000 chilometri l'ora!
Ogni onda elettromagnetica ha una frequenza (n) definita ed una lunghezza d'onda (l)
associata a questa frequenza; queste due grandezze sono legate da una relazione
matematica
l = c/n
Velocità della luce ~ 3×108 m/s
(una costante)
Tutte le onde elettromagnetiche sono classificate in base alle loro frequenze
caratteristiche all'interno di quello che è noto come: SPETTRO
ELETTROMAGNETICO
Proprio come la luce rossa ha una sua frequenza distinta, lo stesso vale per gli altri
colori. Mentre possiamo percepire queste onde elettromagnetiche nei rispettivi colori,
non possiamo vedere il resto dello spettro elettromagnetico. Buona parte dello spettro
elettromagnetico è infatti invisibile ed ha frequenze che spaziano in tutta la sua
larghezza.
Un prisma è un oggetto in grado di
disperdere la luce bianca nelle sue
componenti monocromatiche
Con il “cerchio di Newton” è possibile “miscelare” le componenti
monocromatiche ed ottenere la loro somma, il bianco
rotazione
IL DUALISMO ONDA-CORPUSCOLO
Alcuni fenomeni fisici possono essere spiegati assumendo che la luce sia costituita da
onde (es. interferenza); tuttavia, altri fenomeni (es. effetto fotoelettrico) vengono
spiegati accettando che la luce sia costituita da particelle discrete (i FOTONI),
ciascuno dotato di una energia E correlata alla frequenza della radiazione.
relazione di Einstein del 1905:
E = hn
Costante di Planck
Nel 1924 Louis de Broglie ipotizzò che TUTTA la materia avesse proprietà ondulatorie:
ad un corpo con quantità di moto p veniva infatti associata un'onda di lunghezza d'onda
λ. Tre anni dopo i fisici Davisson e Germer confermarono le previsioni della formula di
De Broglie sparando un fascio di elettroni (che erano sempre stati assimilati a particelle)
contro un reticolo cristallino e osservando le figure d'interferenza previsti.
LA LUCE E LA MATERIA
Un atomo o una molecola possono assumere radiazione solo in maniera “discreta”: ad
es. un atomo, per fare un salto energetico e passare ad uno “stato eccitato”, può
assumere solo un preciso DE a cui corrisponde una radiazione con una precisa
frequenza (DE = hn). Si parla di “quantizzazione dell’energia”.
Radiazione, E = hn
DE
DE
DE
Energia ceduta
Un atomo di idrogeno secondo Bohr
(questo modello è stato superato, ma è ancora utile)
Per questa ragione gli spettri di assorbimento e di emissione atomici sono “a
righe”: in un atomo ci possono essere più salti energetici, ma ad ogni salto è
associata una precisa radiazione, con una precisa frequenza (e lunghezza d’onda)
Riportiamo qui un esempio di spettro continuo nel visibile (luce)
spettro di emissione discreto dell'idrogeno atomico eccitato da scarica
elettrica
spettro solare di assorbimento discreto con varie righe da vari
atomi
Gli spettri di assorbimento costituiscono uno strumento decisivo per comprendere la
composizione delle stelle.
La radiazione ad alta energia e a spettro continuo prodotta dal nucleo delle stelle in cui
avviene la fusione nucleare passa attraverso l'atmosfera della stella costituita da gas
rarefatto freddo (rispetto al materiale sottostante). Gli atomi dell'atmosfera stellare
vengono così eccitati e producono spettri di assorbimento.
Siccome ogni specie atomica (e molecolare) ha una propria unica sequenza di righe di
emissione (che ne sostituiscono una sorta di "impronta digitale"), osservando uno
spettro di assorbimento siamo in grado di "decifrare" la composizione dell'atmosfera
stellare.
Da ora in avanti considereremo uno “spettro” di assorbimento o di emissione
come un grafico che riporta l’intensità della radiazione (assorbita o emessa) in
funzione della sua frequenza (o della sua lunghezza d’onda)
L’elettrone oltre a ruotare attorno al nucleo
dell’atomo…
…è soggetto ad un moto di rotazione intorno al
proprio asse: si parla di SPIN…
…per l’elettrone, la possibilità che la rotazione
avvenga in un verso o nell’altro (comunque con
stessa velocità angolare), definisce due stati
differenti di spin,
IL COLORE DEGLI OGGETTI
Le differenti lunghezze d'onda vengono interpretate dal cervello come colori, che vanno
dal rosso delle lunghezze d'onda più ampie (minore frequenza), al violetto delle
lunghezze d'onda più brevi (maggiore frequenza). Le frequenze comprese tra questi due
estremi vengono percepite come arancio, giallo, verde, blu e indaco. Le frequenze
immediatamente al di fuori di questo spettro percettibile dall'occhio umano vengono
chiamate ultravioletto (UV), per le alte frequenze, e infrarosso (IR) per le basse. Anche
se gli esseri umani non possono vedere l'infrarosso, esso viene percepito dai recettori
della pelle come calore. Alcuni animali, come le api, riescono a vedere gli ultravioletti;
altri invece riescono a vedere gli infrarossi.
In effetti un oggetto ci appare del colore associato alla mescolanza delle
radiazioni che esso non assorbe, e quindi riflette.
A questo punto ci si può chiedere perché una sostanza assorba proprio in
corrispondenza di certe lunghezze d’onda piuttosto che di altre. La risposta a questa
domanda prevede che si conosca la struttura delle molecole che costituiscono tale
sostanza, ed in pratica la natura dei legami da cui sono tenute assieme.
Indigotina (blu)
Tartrazina (gialla)
Infatti se si conosce la struttura di una molecola, applicando la meccanica quantistica,
si può risalire al suo diagramma energetico, e conoscere così le distanze di energia che
intercorrono tra uno stato ed un altro. A ciascun salto energetico corrisponderà una
particolare frequenza della radiazione assorbita, e indirettamente ogni salto energetico
che coinvolga la radiazione visibile, determinerà il colore che noi osserveremo per
una data sostanza.
Un grafico che riportil’asorbimento di onde elettromagnetiche
in funzione della lunghezza d’onda della radiazione incidente,
viene detto SPETTRO DI ASSORBIMENTO. Nel caso di un
atomo, lo spettro di assorbimento è costituito da righe, mentre
per una molecola (sistema più complesso), è costituito da
bande
Esempio:
Clorofilla a
Spettro di assorbimento della clorofilla a
A
Lunghezza d’onda (nm)
COLORE. Percezione sensoriale dovuta a radiazioni elettromagnetiche in grado
di stimolare la retina dell'occhio. Tali radiazioni appartengono alla cosiddetta
banda del visibile: radiazione luminosa, o luce, è appunto l'insieme delle
radiazioni monocromatiche (cioè di una data lunghezza d'onda) in grado di
produrre questo stimolo. Ciascuna radiazione monocromatica comporta la
visione di un determinato colore; combinazioni di radiazioni diverse fanno
vedere colori diversi e tale rappresentazione psichica varia a seconda degli
individui e delle situazioni.
SPETTRO. L'insieme delle radiazioni monocromatiche presenti in una luce
policromatica; anche la striscia luminosa, colorata, che si ottiene raccogliendo su
uno schermo le radiazioni in cui è stata scomposta una luce policromatica ||
Spettro visibile è l'insieme delle radiazioni elettromagnetiche che producono
sensazioni luminose.
SPETTROSCOPIA. Ramo della fisica che si occupa della produzione e
dell'analisi dello spettro delle radiazioni elettromagnetiche e in particolare di
quello della luce.
