La radiazione infrarossa
fra passato e presente
- classe 3B a.s. 2015/16 Macedonio Melloni è universalmente riconosciuto come uno dei più grandi fisici Italiani dell’Ottocento.
Ha dato contributi fondamentali allo studio dei “raggi calorici” (poi chiamati radiazione infrarossa, IR), iniziato nel 1829, e culminato nel 1842 con la formulazione del
“principio di identità” tra questi “raggi” e la luce.
Tappa fondamentale del suo percorso di ricerca fu l’attribuzione, da parte dello stesso Melloni, di un colore al calore. Il principio di identità non riguardava soltanto i
raggi calorici e la luce, ma coinvolgeva tutte le radiazioni a quel tempo note, dall’estremo infrarosso all’estremo ultravioletto, fornendo una nuova e formidabile chiave
di lettura per tutti i fenomeni legati all’irraggiamento.
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Gli infrarossi possono avere applicazioni in campo biologico grazie
all’uso della spettroscopia.
Questa tecnica presenta alcuni vantaggi, tra i quali:
• Non è né distruttiva, né invasiva
• Non necessita di grandi quantità di campione
• Può essere eseguita anche in vivo
• Identifica le specie chimiche presenti nel campione
• Lo strumento per queste analisi è lo spettrofotometro IR.
Un tipo di spettroscopia è la FTIR (Fourier Transform InfraRed),
che permette di ottenere uno spettro
di assorbimento, identificando i cambiamenti di livello energetico
vibrazionale di una molecola.
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Modelli di vibrazione molecolare
La sorgente emette raggi IR che colpiscono un corpo. Questi possono essere
completamente, parzialmente o non assorbiti dal corpo. Un rivelatore è presente al di là
del corpo e registra ed elabora i raggi IR che hanno attraversato o meno il corpo.
Le applicazioni di queste tecniche sono:
• In campo biomolecolare per studiare la struttura delle macromolecole
biologiche
• in campo biomedico a livello cellulare per studiare i
tessuti (es. analisi grado ideale di idratazione
cellulare, cancro, alzheimer)
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• La Terra deve emettere la stessa quantità di energia irraggiata dal Sole
sotto forma di radiazioni tra cui quelle infrarosse per mantenere l’equilibrio.
Una piccola parte di radiazione solare entra nella cosiddetta tecnosfera antropizzata,
un sistema termodinamico dove avviene la totalità delle trasformazioni di energia.
Una parte di questa viene diffusa nuovamente, un’altra è utilizzata dalla biomassa nelle
reazioni fotosintetiche, mentre la maggior parte va ad alimentare il serbatoio di calore.
Quest’ultimo viene rifornito anche dal calore geotermico, e dal calore prodotto dalla
combustione della biomassa. Infine è possibile alimentare il serbatoio tramite l’idrosfera in
quanto il calore fa evaporare l’acqua. Il vapore acqueo condensandosi in piccole gocce,
genera pioggia che cadendo crea energia meccanica e riscalda l’ambiente.
La litosfera non produce energia meccanica perché la dilatazione nelle rocce è minima.
L’energia contenuta nel serbatoio di calore viene emessa attraverso radiazioni infrarosse che
raggiungono l’atmosfera, i gas serra (metano, vapore acqueo, protossido di azoto e anidride
carbonica) assorbono una parte delle radiazioni: quando una molecola riceve un fotone si
eccita e ricade emettendo le radiazioni assorbite.
Questo meccanismo detto effetto serra consiste nella capacità di questi gas di intercettare gli
infrarossi con una certa lunghezza d’onda e rifletterli permettendo invece il passaggio delle altre
radiazioni.
Se la Terra si comportasse come un corpo nero, cioè un emettitore e un assorbitore perfetto, la
temperatura media sarebbe intorno a -19°C; l’effetto serra fa in modo di mantenere la
temperatura media a 15°C.
Dal 1750 c’è stato un aumento di emissione di gas serra e una conseguente
alterazione nell’uscita delle radiazioni che ha provocato un aumento
della temperatura terrestre. Per diminuire l’emissione di questi gas
sarebbe sufficiente utilizzare al meglio le energie
• in campo bioarcheologico
Esempio di energia dei raggi
IR prima e dopo avere
attraversato il corpo.
Ci sono attività che impiegano la radiazione
infrarossa per indagine su materiale biologico, in
altri casi studiano materiali, e fra questi in
particolare i semiconduttori, con i quali si
possono realizzare dispositivi che ritroviamo e
riconosciamo in molti ambiti della nostra vita
quotidiana: riguardano il mondo dei sensori,
l’energia e l’ambiente e possono essere molto
importanti nel mondo del lavoro.
Cambiamento del livello di anidride
carbonica nel corso degli anni
Schema effetto serra
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Esistono due tipi di foto-rivelatori che convertono le radiazioni in segnali elettrici [3,4]:
1. Termici: rivelano la radiazione termica emessa dal corpo scaldandosi (es. termopila)
2. Fotonici: sono in grado di assorbire i fotoni generando un segnale elettrico
SENSORI [3,4]:
giunzioni p-n composte di una zona drogata positivamente
e una drogata negativamente con una zona intermedia svuotata.
I fotoni incidenti creano coppie elettrone-lacuna separate dal
campo elettrico, in questo modo nasce una corrente inversa
proporzionale al numero di fotoni incidenti.
Modello di
giunzione p-n
Esempi di rivelatori fotonici
Per convertire i segnali luminosi in segnali digitali, occorre utilizzare dispositivi di imaging .
I più comuni sono:
• CCD (Charged Coupled Device): schiera di fotodiodi che registrano la luce come una piccola
carica elettrica in ciascuno dei suoi pixel con un unico sito di misura che permette l’uniformità
dell’immagine;
• CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor): stesse caratteristiche della CCD ma
presenta un transistor associato a ogni pixel, che ha conseguenze sull’organizzazione e sulle
possibilità del sensore.
In questo campo la radiazione infrarossa viene sfruttata in diversi ambiti:
1 – ACQUA LAVANDINO, ACCENSIONI LUCI:
solitamente si tratta di sensori piroelettrici che si accorgono del movimento e della
temperatura
2 -CAMPO FORENSE:
Si effettua lo spettro della fibra sporca di un materiale, poi di quella pulita, guardando le
differenze si isola lo sporco e lo si confronta con lo spettro del materiale che si vuole
identificare, individuando un’eventuale coincidenza.
3- MONITORAGGIO AMBIENTALE:
Si manda una radiazione infrarossa nell’ambiente, quando ritorna il fascio è impoverito
delle componenti assorbite dalle molecole presenti nell’ambiente, identificando le
componenti sparite, si comprende da quali molecole sono state assorbite.
4 –DISTRIBUTORE DI BIBITE:
Sono presenti ai lati del punto di caduta dei prodotti due sensori: uno invia il segnale
e l’altro lo riceve, quando il prodotto cade il segnale viene interrotto dal suo
passaggio: la macchina riconosce che il prodotto è stato erogato.
5-ALCOOL TEST (etilometri)
Essendo l’alcool nel sangue in equilibrio con quello negli
alveoli polmonari, per verificarne la sua percentuale, si
soffia in una camera, l’aria viene poi colpita da radiazioni
infrarosse che rilevano la presenza di alcool
Esempi di rivelatori termici
Tra i metodi innovativi per registrare la temperatura nominiamo la termografia che permette di fare
ciò attraverso la rilevazione a distanza dell’energia radiante emessa dai corpi.
A questo scopo, vengono utilizzati strumenti appositi quali le termocamere, oggetti
delicati e costosi che vengono applicati in vari campi,
• Edilizia: localizzazione di problemi sugli involucri edilizi
• Ricerca scientifica per l’industria meccanica:
determinazione di temperature interne di scambiatori di
calore (es. pastorizzazione) e la localizzazione delle
sorgenti calde.
Schema alcool test
Immagine scattata
con termocamera
Liceo Scientifico Guglielmo Marconi di Parma in collaborazione con Università di Parma, Dipartimento di Fisica e Scienze della Terra; Plesso di Fisica.
Ringraziamento ai professori: Patrizia Muri (tutor scolastico), Antonella Parisini (tutor universitario),
Luigi Cristofolini [3], Sara Rainieri [3], Francesco Giusiano [2], Andrea Baraldi, Maria Grazia Bridelli [1]
Sfondo :Nebulosa Testa di Cavallo fotografata agli infrarossi da Hubble La Repubblica.it/scienze/2013/04/20
