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 DE Energia ceduta DE DE Radiazione, E = hn 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”. DE Energia ceduta DE DE Radiazione, E = hn 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.

Spettro di assorbimento della clorofilla a 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: Spettro di assorbimento della clorofilla a A Lunghezza d’onda (nm) Clorofilla a

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.