26 Marzo Luce dagli atomi

Data pubblicazione: Mar 28, 2012 12:57:0 AM

Alcune note sulla luce

La luce bianca può essere scomposta in tutti i colori dell'arcobaleno, tramite diversi sistemi, come:

un prisma (come fece Newton intorno al 1670)

la superficie rigata di un CD

un reticolo di diffrazione (un vetro o plastica con dei solchi molto vicini, 300 - 1000 per mm)

e l'arcobaleno è un esempio comune di spettro continuo.

Se con uno qualsiasi di questi dispositivi guardiamo la luce esterna bianca, la luce di una candela, di un fuoco o di una lampadina a incandescenza, vediamo uno spettro continuo, cioè con tutti i colori dell'arcobaleno.

La luce è fatta di vibrazioni del campo elettrico-magnetico, e ad ogni colore diverso corrisponde una frequenza diversa con cui questa onda luminosa vibra.

La frequenza è più alta per la luce blu-viola (quella che devia maggiormente nel prisma e nei vari sistemi di dispersione) ed è più bassa per la luce rossa. Oltre queste due estremità abbiamo la luce ultravioletta e la luce infrarossa, che non riusciamo più a vedere, anche se questa luce continua ad essere emessa dagli atomi, impressiona pellicole fotografiche ed è rivelabile da apparecchiature "fotoelettroniche". La luce ultravioletta, quella più energetica non è visibile, ma danneggia gli occhi e la pelle ed entro certi limiti ci difendiamo da essa con l'abbronzatura.

Una delle formule più importanti della fisica, scoperta da Planck e da Einstein qualche anno prima degli esperimenti di Rutherford, ci dice che l'energia della luce non è "sfusa", ma a pacchetti o granelli indivisibili chiamati fotoni. Una luce più intensa contiene un maggior numero di fotoni, una luce debole è perché trasporta un minor numero di fotoni.

Energia di ogni fotone = frequenza x costante di Planck

Questa equazione ha conseguenze pratiche. Essa significa che anche la luce ultravioletta più debole non sarà innocua, ma avrà gli stessi identici fotoni di una luce ultravioletta intensa, per cui potrà causare gli stessi danni alla pelle, anche se su un numero minore di cellule.

Se invece di guardare la luce solare o bianca guardiamo la luce proveniente da una lampada al neon o da tubi a scarica di altri gas vediamo che ci sono solo alcune righe di diversi colori, ma molti altri colori mancano.

Nella luce solare o di una candela esistono talmente tanti atomi e particelle diverse che emettono luce di colori diversi, che alla fine non ci sono zone dello spettro senza righe colorate, e per questo otteniamo uno spettro continuo.

Nella luce della lampada al neon o a idrogeno o a elio, invece, c'è un solo tipo di atomi, per cui i colori emessi sono pochi ed otteniamo uno SPETTRO A RIGHE.

In laboratorio abbiamo a disposizione un generatore di elettricità ad altissimo voltaggio, con il quale possiamo fornire energia a dei gas rarefatti contenuti in piccoli tubi di vetro e far sì che essi emettano la loro luce caratteristica.

Questo video raccoglie alcune fasi dell'esperimento:

Questa è la luce caratteristica emessa dagli atomi di Neon sottoposti a scarica:

Se la analizziamo troviamo queste righe verdi, gialle, rosse:

Con l'idrogeno le righe sono veramente poche (con il reticolo di diffrazione si vede solo una riga unica viola)

La semplicità dello spettro dell'idrogeno non ci sorprende: i suoi atomi sono i più semplici perché hanno un solo elettrone e un solo protone. (Video di un tubo contenente il plasma di idrogeno )

Lo spettro dell'elio, i cui atomi come sappiamo hanno due soli elettroni, è anch'esso abbastanza semplice:

Concludiamo che ogni atomo di ogni elemento produce una luce comprendente solo certe righe o colori.

Gli scienziati che studiavano gli spettri della luce emessa dagli atomi, a fine 800, avevano raccolto una enorme massa di dati sulle frequenze delle righe dei diversi elementi noti, ma in realtà non erano in grado di rispondere a delle domande molto semplici:

A) perché gli atomi emettono la luce?

B) perché la luce che emettono comprende solo certe frequenze molto precise (righe molto sottili)?

C) perché gli atomi di uno stesso elemento emettono tutti lo stesso spettro?

D) perché facendo la differenza tra le frequenze di due righe dello spettro di un atomo si ottiene un risultato che spesso coincide esattamente con la frequenza di un'altra riga esistente nello stesso spettro?

Lo scienziato Danese Niels Bohr fu lo scienziato che riuscì a rispondere a queste domande e anche a dare una sistemazione precisa agli elettroni orbitanti dell'atomo di Rutherford, intorno al 1913.

Egli applicò all'atomo la "nuova fisica" (la formula) di Einstein e Planck e spiegò anche cosa succede agli atomi quando essi emettono i fotoni dell'una o dell'altra riga colorata.

E non solo, per l'atomo di idrogeno egli riuscì a calcolare i valori delle frequenze dei fotoni emessi e queste coincidevano esattamente con le frequenze misurate con precisione dagli spettroscopisti.

Grazie al modello di Bohr fu possibile capire, a 26 anni dalla scoperta di Mendeleev, il perché dell'organizzazione degli elementi nella tavola periodica.

I GAS MESCOLATI IN QUELLI CHE OGGI CHIAMIAMO "TUBI AL NEON", MESSI SEPARATAMENTE: