centri di colore (f)

Luca Fontanesi, Gerelli Yuri, Riccardo Campari.
Lab. Fisica moderna I
CENTRI DI COLORE (F)
INTRODUZIONE:
Un centro di colore è un difetto che modifica le caratteristiche di assorbimento nell’infrarosso, nel
visibile o nell’ultravioletto di un cristallo irraggiato.
Nel nostro caso il cristallo è un alogenuro alcalino, più precisamente KCl, e cerchiamo modifiche
del comportamento nel visibile.
STRUMENTAZIONE:
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Cristalli di KCl di piccole dimensioni (≈ 4 x 0,7 x 3 mm);
Fornetto (F) alimentato da un generatore di tensione (0-220 V) collegato ad un
trasformatore (T) (0-220 V);
Termocoppia interfacciata con display digitale, per rilevare la temperatura del fornetto;
Amperometro (A) per controllare la corrente che attraversa la resistenza di riscaldamento
del fornetto;
Ago (a);
Generatore di tensione (V) (0-300 V) col polo negativo collegato all’ago e quello
positivo all’interno del fornetto;
Resistenza (R = 15 KΩ) di protezione inserita sul polo positivo del generatore (V);
FUNZIONAMENTO:
Un centro di colore è un difetto del reticolo cristallino che assorbe luce. I nuovi livelli d’energia
sono separati dallo stato fondamentale da una frequenza di luce visibile. La banda di assorbimento è
caratteristica del cristallo.
Quello che noi cerchiamo di fare è scalzare uno ione dell’alogeno (Cl) e il suo elettrone di valenza
dalla posizione reticolare. In questo modo si viene a creare una buca di potenziale nella quale viene
attratto l’elettrone di valenza; infatti una volta spostato lo ione dalla sua posizione il suo elettrone
non è più legato ad esso e inizia a migrare di moto Browniano nel cristallo; la vacanza si manifesta
come una carica positiva che lo attira e lo cattura modificando le proprietà ottiche nel visibile.
Per far questo ci è utile scaldare il campione, così da aumentare l’agitazione termica dei nuclei e la
concentrazione di difetti, e applicare un forte campo elettrico per spostare lo ione Cl.
Il funzionamento dell’apparato è abbastanza semplice.
Il blocco T fornisce una differenza di potenziale variabile ad un filo che avvolge il fornetto
all’interno della parete isolante;
da ciò ne conseguono correnti elevate che scaldano velocemente l’interno del fornetto, la cui
temperatura è rilevabile con una termocoppia.
L’altro generatore V, dotato di una resistenza R di protezione, fornisce una d.d.p. tra ago e
basamento del fornetto così da creare un campo elettrico. Nella costruzione di questo
“condensatore”, è stato utilizzato un ago, così da sfruttare il potere delle punte per massimizzare il
campo. L’ago inoltre può essere avvicinato o allontanato a piacere della base del forno.
Ora posizionando il cristallo sulla base del forno, e avvicinandogli la punta dell’ago fino al contatto,
possiamo scaldarlo e applicargli il campo elettrico come voluto.
PREPARAZIONE APPARATO
Realizzati cristalli soddisfacentemente sottili, abbiamo cercato la configurazione migliore in cui
lavorare supponendo inizialmente che il campo da applicare fosse abbastanza elevato (riportiamo
per comodità i valori delle tensioni applicate tra ago e base in Volt), partendo da 200 °C con
incrementi di 10°C ogni 10 minuti.
Le prime colorazioni sono apparse tra i 390 e i 400 °C con una tensione di 290V, ma i tempi di
esposizione erano inizialmente brevi (circa 15 minuti).
Abbiamo quindi supposto che per campioni dello stesso spessore del primo questo fosse il range
adatto in cui lavorare, e vi abbiamo lasciato ciascun campione per tempi maggiori di quelli
precedenti (compresi tra 30 minuti e 2 ore).
Il risultato sono stati due cristalli che mostravano un lieve colore rosso-viola concentrato in alcuni
punti e disomogeneo, ma comunque visibile a occhio nudo.
Altri 2 cristalli sono invece anneriti probabilmente per l’eccessivo campo applicato.
CONCLUSIONI
Abbiamo tentato di analizzare con uno spettrometro ad assorbimento questi due campioni ricavando
grafici che, sebbene insoddisfacenti (andamento molto piatto con strane oscillazioni a basse
frequenze), sembravano simili alle attese, con un leggerissimo assorbimento intorno ai 550 nm, ma
entrambi si sono rivelati insignificanti quando è stato analizzato un cristallo di KCl non sottoposto
al trattamento ed ha evidenziato uno spettro pressoché identico.
La motivazione può essere dovuta alla disomogeneità della colorazione che permette alla luce di
passare attraverso zone non colorate e mascherare l’effetto dell’assorbimento. Questa
disomogeneità è da imputare al poco tempo di trattamento del campione o al fatto di non aver
lavorato alle condizioni di campo e temperatura ottimali per colorare il cristallo. Inoltre nel lasso di
tempo trascorso tra la colorazione e le misurazioni spettroscopiche il cristallo ha perso parte del
colore assunto per non essere stato conservato in condizioni ottimali (buio e bassa temperatura).