Laboratorio di Fisica 3
Studio di spettri continui e a righe di sorgenti luminose mediante
spettrofotometro
1. Introduzione: spettri luminosi
La radiazione elettromagnetica comprende una vasta gamma di frequenze che costituiscono lo
spettro elettromagnetico: esso comprende le onde radio ( 104 1011 Hz ) e le microonde ( 108
1012 Hz ), così come radiazioni a frequenza molto alta, come i raggi X o i raggi gamma. Solo una
piccola parte dello spettro (compresa tra 4.3 · 1014 e 7 · 1014 Hz) può essere percepita dall’occhio
umano: questa radiazione costituisce lo spettro visibile e corrisponde ai diversi colori, dal rosso al
violetto. Le radiazioni a frequenza minore di quelle della luce rossa e a frequenza maggiori del
violetto sono tradizionalmente denominate rispettivamente radiazioni infrarosse e ultraviolette.
Spettro delle onde elettromagnetiche
Le sorgenti luminose (sia naturali che artificiali) possono presentare uno spettro luminoso continuo
o a righe (spettri di emissione). Spettri luminosi continui sono emessi ad esempio da corpi
incandescenti (solidi, liquidi o gassosi ad alta pressione). Ne sono un esempio lo spettro della
radiazione solare o quello emesso da una lampada ad incandescenza.
Spettro solare
Spettro di una lampada ad incandescenza
Spettro di una sorgente di luce fluorescente
Gli spettri di emissione a righe sono invece tipicamente associati a sostanze gassose a bassa
pressione, o a materiali opportunamente eccitati, che riemettono luce a lunghezze d’onda
caratteristiche. Un esempio è quello delle lampade a vapori di sodio, mercurio,…
Spettro di una lampada a vapori di mercurio
Se una sostanza è interposta tra la sorgente e il rivelatore essa può assorbire preferenzialmente certe
radiazioni; in tali condizioni si può ottenere uno spettro di assorbimento, anch’esso tipico di ogni
sostanza, in cui alcune lunghezze d’onda o alcune zone dello spettro appariranno mancanti (nere).
Esempio di spettro di assorbimento
2. Tecniche di misura di uno spettro luminoso
Per la misura delle lunghezze d’onda della luce nel campo del visibile si possono adoperare varie
tipologie di spettroscopi. Quelli tradizionali impiegano un prisma o un reticolo di diffrazione per
separare le varie componenti luminose.
Spettroscopi a reticolo di diffrazione a prisma
Tali tipi di spettroscopi consentono – con ottima precisione - l’osservazione visuale delle righe di
emissione delle sorgenti luminose, ma non danno la possibilità di misurarne l’intensità. Inoltre la
misura di ciascuna riga avviene in modo indipendente, richiedendo misure lunghe per valutare
l’insieme delle righe di una particolare sorgente luminosa.
Negli spettrofotometri di recente generazione, l’intero spettro della luce (intensità in funzione
della lunghezza d’onda) può essere invece registrato in un’unica misura. Il principio di
funzionamento base di questi spettrofotometri prevede la diffrazione della luce in ingresso da parte
di un reticolo di diffrazione, con una conseguente dispersione delle varie lunghezze d’onda, che
vengono rivelate in un rivelatore CCD (Charge Coupled Device), un fotosensore segmentato in più
rivelatori indipendenti (ad esempio 2048), che consente di misurare l’intensità della radiazione che
colpisce ogni elemento del sensore. Ognuno dei pixel nel sensore CCD risponde alla lunghezza
d’onda che lo colpisce, fornendo una risposta digitale.
Schema di principio di uno spettrofotometro a CCD
La luce può entrare attraverso una fibra ottica, essere focalizzata da uno specchio curvo su un
reticolo di diffrazione, essere dispersa da quest’ultimo e ciascuna componente essere focalizzata sul
rivelatore a CCD. I sensori CCD, che sono alla base del funzionamento anche di fotocamere e
videocamere digitali, sono letti periodicamente (ad esempio ogni 2 ms) e il segnale proveniente dai
diversi elementi del sensore costituisce lo spettro che può essere visualizzato e registrato. Il numero
di pixel del sensore e le prestazioni del reticolo determinano la risoluzione e l’intervallo di
lunghezze d’onda che è possibile esplorare. L’unico parametro è il tempo di acquisizione, che può
essere regolato in base all’intensità della sorgente luminosa.
Per le misure descritte nel paragrafo successivo è disponibile uno spettrofotometro in grado di
esplorare il range di lunghezze d’onda da 360 a 940 nm, con risoluzione di 0.5 nm (Mod. U17310
della 3B Scientific). Il software di gestione consente di visualizzare lo spettro acquisito sia in forma
grafica che numerica, per ulteriori elaborazioni.
3. Attività sperimentali da eseguire in laboratorio
3.1 Misura di uno spettro di emissione continuo
Materiale occorrente: Spettrofotometro digitale U17310 con software di acquisizione, basetta con
LED colorati, alimentatore bassa tensione, lampada ad incandescenza alimentata a 220V, lampada
fluorescente (Neon) alimentata a 220 V, faretto alogeno, piccolo banco ottico.
Modo di operare:
Adoperare la fibra ottica collegata all’ingresso dello spettrofotometro, dirigendola verso la sorgente
luminosa in questione e acquisire per un tempo sufficiente, in base all’intensità della sorgente
stessa, fino a visualizzare lo spettro. Schermare per quanto possibile dalla luce ambientale o da altre
sorgenti luminose, ad esempio adoperando un panno scuro. Misurare e registrare gli spettri di
alcune tra le seguenti sorgenti luminose:
a)
b)
c)
d)
Una lampada ad incandescenza (lampada da tavolo)
Lampade fluorescenti (Tubi al Neon del laboratorio, lampada spia al Neon)
Un faretto alogeno a bassa tensione
LED di vari colori (rosso, verde, giallo, blu)
Analizzare successivamente gli spettri acquisiti per valutare il range di lunghezze d’onda di
ciascuno spettro, confrontarne la forma, valutare la larghezza dei picchi per gli spettri di LED
colorati, valutare la presenza di eventuali picchi sovrapposti allo spettro continuo, stimare la
quantità di luce infrarossa e ultravioletta,…
3.2 Misura di uno spettro di emissione con presenza di righe
Materiale occorrente: Spettrofotometro digitale U17310 con software di acquisizione, una o più
lampade spettrali dotate di alimentatore, lampada miscelata a vapori di mercurio alimentata a 220V.
Modo di operare:
Procedere come sopra, adoperando come sorgenti luminose:
a) Una lampada spettrale (ad esempio a vapori di Sodio o di Mercurio)
b) Una lampada miscelata a vapori di mercurio, da alimentare a 220 V
Analizzare successivamente gli spettri ottenuti, stabilendo posizione e intensità relativa delle varie
righe osservate e confrontarle con spettri di questi elementi atomici presenti in letteratura. Valutare
la risoluzione e la separabilità di righe diverse.
3.3 Misura delle proprietà di trasmissione della luce da parte dei materiali
Materiale occorrente: Spettrofotometro digitale U17310 con software di acquisizione, piccolo
banco ottico, collimatori, porta vetrini, cuvette con soluzione, supporto per fibra ottica dello
spettrofotometro.
Modo di operare:
Per valutare le proprietà di trasmissione e assorbimento della luce da parte di un materiale, si può
effettuare una misura dello spettro luminoso di una sorgente (con uno spettro il più possibile
uniforme) senza e con il materiale interposto (ad esempio un vetro, o un filtro colorato,o una
soluzione liquida).
Come sorgente di luce si può adoperare in pratica un faretto alogeno, che ha uno spettro del tipo
mostrato in figura:
Interponendo dei filtri colorati si potranno valutare quantitativamente le proprietà di trasmissione
del filtro, valutando il rapporto T=I/I0 tra l’intensità I trasmessa attraverso il filtro e quella, I0,
incidente su di esso.
Nel caso di soluzioni, si preferisce utilizzare il concetto di assorbanza, definita dalla relazione
A = log (I0 / I)
dove I0 e I sono le intensità luminose incidente e trasmesse attraverso la sostanza, misurate ad una
data lunghezza d’onda. Un grafico dell’assorbanza in funzione della lunghezza d’onda viene
denominato spettro di assorbimento di quella sostanza. Nel caso atomico lo spettro di assorbimento
è costituito da righe isolate, mentre per una molecola è uno spettro più complesso, strutturato in
bande. Una legge empirica (Legge di Lambert-Beer) mette in relazione l’assorbanza A di una
soluzione con la concentrazione della soluzione c, il coefficiente di estinzione molare ε e la
lunghezza del cammino ottico l:
A=εlc
Tale legge è talvolta utilizzata per determinare la concentrazione di una soluzione. Poiché parte
della luce incidente può essere riflessa, o diffusa, anziché essere trasmessa o assorbita dalla sostanza
interposta, la misura può in parte essere falsata da questi effetti.
Per effettuare delle misure su materiali allo stato solido (ad esempio vetri o filtri colorati)
utilizzare un supporto con sorgente (faretto alogeno), collimatori, porta vetrini e fibra ottica;
misurare e registrare lo spettro della sorgente senza alcun materiale interposto, e gli spettri ottenibili
interponendo un vetrino alla volta, in modo da confrontare i due spettri ed estrarre lo spettro di
assorbimento.
Schema di principio di una misura di curva di luce trasmessa da una sostanza
Un esempio di curva di assorbanza per vetri colorati di diverso tipo
Nel caso di una soluzione utilizzare una “cuvette” che contenga la soluzione in questione. Effettuare
una misura con la cuvette contenente solo acqua distillata, in modo da utilizzare lo spettro ottenuto
come riferimento rispetto a cui confrontare lo spettro ottenuto nel caso di soluzione interposta.
Utilizzo di una cuvette contenente la soluzione da esaminare con lo spettrofotometro
Spettro di assorbimento della clorofilla
Spettri di assorbimento di varie forme dell’emoglobina
Spettro di assorbanza di una soluzione di CuSO4 in ammoniaca
estratto da misure condotte con lo spettrofotometro U17310
Per il calcolo dello spettro di assorbanza, estrarre dai files acquisiti i valori di lunghezza d’onda, di
intensità misurata con la cuvette piena di acqua distillata e di intensità con la soluzione in questione,
e analizzarli mediante un foglio EXCEL o tramite un programma.
3.4 Misura dello spettro di emissione di una fibra del tipo WLS (WaveLength Shifter)
Materiale occorrente: Spettrofotometro digitale U17310 con software di acquisizione, supporto
meccanico per fibra WLS e per fibra ottica dello spettrofotometro, lampada ad incandescenza per
illuminare la fibra WLS.
Modo di operare:
Le fibre WLS hanno la proprietà di assorbire la luce di scintillazione emessa da materiali
scintillatori e di riemetterla a lunghezze d’onda spostate, in modo da ottimizzare la raccolta di luce
da parte dell’elemento fotosensore (fotomoltiplicatore, APD, SiPM,..). Esse trovano oggi largo
impiego negli esperimenti di fisica nucleare in sistemi di rivelazione basati sull’utilizzo di
scintillatori. Per tale misura adoperare una fibra WLS del tipo Kuraray Y11 (picco di emissione a
476 nm), illuminata dalla luce visibile di una lampada, e misurare la luce emessa all’uscita di
quest’ultima con la fibra ottica in dotazione allo spettrofotometro – schermando il più possibile
dalla luce ambientale e dalla luce primaria.
Spettro di assorbimento di una fibra WLS Kuraray Y11
Argomenti di approfondimento/analisi
Analisi quantitativa degli spettri di emissione misurati
Trattazione numerica degli spettri: forma dei picchi, larghezza, fit della forma,…
Caratterizzazione quantitativa di spettri a righe
Caratterizzazione quantitativa del comportamento di filtri/vetri colorati
Metodi numerici per confrontare forma e intensità di spettri (curva di assorbanza)
