Lo Spettroscopio La luce visibile Le righe spettrali Spettri di emissione e di assorbimento L’atomo di Bohr Richiami di ottica Rifrazione e dispersione di un prisma Spettroscopio di Kirkhhoff-Bunsen Modalità dell’esperimento Taratura dello spettroscopio Misura di uno spettro di emissione Struttura della relazione 1 aprile 2004 Daniela Rebuzzi

La luce visibile Caratterizzata da E’ un’onda elettromagnetica ottica elettromagnetica ottica quantistica  () è legata al colore  piccole ( grandi)  viola  grandi ( piccole)  rosso Luce bianca: composta da colori che possono essere dispersi e ricombinati mediante un prisma Caratterizzata da Lunghezza d’onda   si misura in Angstrom (1Å=10-8cm) Periodo T = tempo impiegato per percorrere la distanza  Frequenza   si misura in Hertz (Hz) 1 aprile 2004 Daniela Rebuzzi

Le righe spettrali La luce che si ottiene riscaldando un elemento chimico non contiene l’intero arcobaleno ma solo determinate righe dette righe spettrali Ogni atomo quando viene sollecitato emette un insieme ben preciso di colori (spettro di emissione) Le righe spettrali sono una sorta di firma dell’atomo Le lampade per l’illumimazione stradale, ad es., utilizzano vapori al sodio e vapori al mercurio. Se facciamo passare la loro luce attraverso un prisma vediamo righe separate Ognuna di queste luci ha una diversa firma spettrale Si può dire che lampada si sta guardando analizzando le sue righe spettrali La spettroscopia è la scienza che utilizza le righe spettrali per individuare la composizione di un determinato oggetto (es. stelle lontane) 1 aprile 2004 Daniela Rebuzzi

Le righe spettrali Osservate per la prima volta nello spettro della luce solare da Wollaston (1802) Fraunhofer (1814) le studiò e le catologò registrando la loro posizione senza capirne l’origine e il significato Kirkhhoff e Bunsen (1850) esposero varie sostanze alla fiamma di un becco Bunsen In seguito anche il gallio, l’elio, l’argon, il neon, il kripton e lo xenon vennero scoperti per mezzo della spettroscopia Un dato elemento produceva sempre lo stesso spettro, differente da quello di ogni altro elemento cesio e rubidio vennero scoperti perchè le loro righe spettrali non corrispondevano a quelle di nessun elemento conosciuto 1 aprile 2004 Daniela Rebuzzi

Gli spettri di assorbimento Fraunhofer osservò fortuitamente che, quando la luce solare attraversa una fenditura e poi un prisma, questa crea, come ci si aspetta, uno spettro continuo con i colori dell’arcobaleno ma lo spettro contiene anche una serie di righe scure lo spettro continuo della luce solare possiede circa 600 righe scure che Fraunhofer osservò (e che ora hanno il nome di righe di Fraunhofer) Quello che si sapeva era che gli elementi riscaldati emettono uno spettro discreto di righe colorate (spettro di emissione), Fraunhofer stava scoprendo che c’é un altro modo in cui gli elementi possono produrre uno spettro 1 aprile 2004 Daniela Rebuzzi

Gli spettri di assorbimento Invece di un campione riscaldato, si consideri un gas freddo attraversato da un fascio di luce bianca (che contiene luce visibile di ogni lunghezza d’onda) tutte le frequenze attraversano tranquillamente il gas, tranne quelle con una particolare lunghezza d’onda che vengono invece assorbite lo spettro con queste frequenze mancanti è detto spettro di assorbimento Confrontando spettro di emissione e spettro di assorbimento per uno stesso elemento si nota che Le righe scure di uno spettro di assorbimento appaiono alle stesse lunghezze d’onda alle quali si trovano le righe luminose del corrispondente spettro di emissione Nessuno fu in grado di spiegare il significato delle righe spettrali per decine di anni... 1 aprile 2004 Daniela Rebuzzi

L’atomo di Bohr Per spiegare il mistero delle righe spettrali, Bohr propose un modello atomico radicalmente diverso (1913) gli elettroni possono stare solo su orbite speciali L’energia, sotto forma di fotoni (pacchetti di energia), è emessa o assorbita solo per transizioni da uno stato stazionario ad un altro L’energia degli elettroni può cambiare solo per piccoli salti discreti (quanti) I fotoni assorbiti o emessi hanno energia che corrisponde alla spaziatura (energetica) tra uno stato stazionario e l’altro I fotoni sono radiazioni ad energia quindi lunghezza d’onda fissata ecco perchè delle righe discrete Gli elettroni ruotano su orbite circolari attorno al nucleo. Se l’elettrone rimane su un’orbita permessa (stato stazionario) l’atomo non emette energia 1 aprile 2004 Daniela Rebuzzi

Perchè le righe spettrali Riscaldando gli atomi di una determinata sostanza si fornisce loro energia e qualche elettrone può saltare ad un livello energetico superiore. Quando ritorna al livello inferiore, l’atomo emette un fotone ad una delle frequenze caratteristiche dell’elemento (o degli elementi) che compongono la sostanza Ogni elemento ha uno spettro di emissione caratteristico Quando i fotoni che provengono da una sorgente bianca (che contiene luce visibile di ogni lunghezza d’onda) interagiscono con gli atomi di un gas freddo, possono venire assorbiti purchè abbiano la lunghezza d’onda necessaria per portare un elettrone da un livello energetico ad un altro. Tutte le altre frequenze attraversano il gas senza interagire Lo spettro continuo della luce bianca ha delle lacune (righe nere) in corrispondenza delle lunghezze d’onda assorbite  spettro di emissione spettro di assorbimento Gas semplici  spettro a righe Gas poliatomici complessi  spettro a bande Solidi  spettro continuo 1 aprile 2004 Daniela Rebuzzi

Dispersione e Rifrazione Dispersione (cromatismo per rifrazione) = separazione della luce nelle sue componenti monocromatiche Fenomeno dovuto al fatto che l’indice di rifrazione di un mezzo dipende dal colore della luce, cioè dalla sua lunghezza d’onda (o dalla sua frequenza) La deviazione di un raggio luminoso in seguito a rifrazione (in un prisma, ad es.) è diversa per ciascuna delle singole componenti monocromatiche che lo costituiscono Indice di rifrazione n  funzione decrescente di  A e B costanti caratteristiche della sostanza rifrangente La deviazione cresce andando dal rosso al viola (nei prismi) 1 aprile 2004 Daniela Rebuzzi

Spettroscopio di Kirkhhoff-Bunsen Costituito da una piattaforma orizzontale fissa che porta un prisma, un collimatore, un cannocchiale e un proiettore. Scopo del collimatore è quello di fornire, quando la lente è illuminata attraverso la fenditura, un fascio di raggi paralleli che poi incide su una faccia del prisma Il fascio incidente di raggi paralleli è disperso dal prisma in tanti fasci diversamente inclinati a seconda della lunghezza d’onda che forniscono nel canocchiale altrettante immagini della fenditura La luce bianca dà uno spettro continuo, dal rosso (meno deviato) al violetto (più deviato), altre luci danno spettri di righe o bande Il collimatore è costituito da un tubo metallico che porta, all’estremità rivolta verso il prisma, una lente convergente acromatica e all’altra una fenditura (di larghezza regolabile mediante vite micrometrica) parallela allo spigolo del prisma e posta nel piano focale della lente convergente 1 aprile 2004 Daniela Rebuzzi

Spettroscopio di Kirkhhoff-Bunsen Il proiettore è costituito da un tubo fissato sulla piattaforma in posizione opportuna rispetto al prisma e al cannocchiale. All’estremità verso il prisma porta una lente convergente e all’altra estremità una scala graduata che illuminata all’esterno del tubo da una lampada, viene raccolta nel cannochiale. Nel campo del cannocchiale si vedono sovrapposti lo spettro della luce in esame e l’immagine della scala graduata È possibile riferire quindi le posizioni delle righe dello spettro alla graduazione della scala Il cannocchiale è mobile con una piccola escursione nel piano orizzontale, per poter osservare tutto lo spettro visibile. 1 aprile 2004 Daniela Rebuzzi

Modalità dell’esperienza FUNZIONAMENTO DELLO SPETTROSCOPIO Illuminata la fenditura con la luce in esame, si regola la larghezza della fenditura con la vite micrometrica Si regola poi il cannocchiale in maniera che le righe risultino ben nitide Accendere la lampada a bassa intensità che illumina la scala graduata del proiettore TARATURA DELLO STRUMENTO Operazione che consente di determinare la relazione esistente tra la posizione delle righe spettrali sulla scala graduata e la corrispondente lunghezza d’onda. Illuminare la fenditura con la lampada a Hg che fornisce righe spettrali le cui singole lunghezze d’onda nota sono note e riportate sullo spettroscopio Regolare la posizione della scala graduata in modo che lo spettro visibile risulti tutto compreso entro la scala Una volta messa a posto, la scala non deve più essere mossa Prendere nota della posizione sulla scala delle righe spettrali, costruendo una TABELLA DI TARATURA |(Å) |posizione(°) |errpos| 1 aprile 2004 Daniela Rebuzzi

Modalità dell’esperienza L’errore di lettura sulla scala graduata è pari al valore di mezza tacca ed è costante per tutte le misure Dopo aver redatto la tabella di taratura, tracciare il GRAFICO DI TARATURA dello spettroscopio riportando su carta millimetrata i valori di lunghezza d’onda e posizione delle righe spettrali del Hg Posizione delle righe (da 0° a 5°) in ascissa, con relativo errore Lunghezza d’onda (da 4000Å a 6500Å) in ordinata Si ritenga trascurabile l’errore sulla conoscenza della lunghezza d’onda Interpolare i punti segnati con una curva  CURVA DI TARATURA Prima di procedere a tracciare il grafico, spegnere la lampada a Hg e sostituirla con la lampada incognita di cui si vuole misurare lo spettro MISURA DELLA LUNGHEZZA D’ONDA DELLO SPETTRO DI EMISSIONE DI UNA SOSTANZA IGNOTA Misurare la posizione (in gradi) delle righe più brillanti della lampada incognita e stimare la loro lunghezza d’onda utilizzando la curva di taratura Di che elemento si tratta? 1 aprile 2004 Daniela Rebuzzi

Struttura della relazione Titolo Scopo dell’esperienza Definizione di grandezze fisiche e dei fenomeni coinvolti Righe spettrali Spettri di emissione ed assorbimento Spiegazione del fenomeno (atomo di Bohr) Rifrazione e dispersione in un prisma Descrizione dell’apparato sperimentale Descrizione e funzionamento dello spettroscopio di Kirkhhoff-Bunsen Procedura di taratura dello spettroscopio Raccolta ed organizzazione dei dati  TABELLA e GRAFICO DI TARATURA Misura di righe spettrali emesse da una sostanza ignota Risultati ottenuti Discussione e commenti 1 aprile 2004 Daniela Rebuzzi

Righe spettrali del sodio Colore  [Å] Rosso 6164 Giallo I 5896 Verde I 5670 Verde II 5133 Azzurro 4982 Indaco 4668 1 aprile 2004 Daniela Rebuzzi