Spettroscopia casalinga. 1. Le basi.

Claudio Della Volpe

La chimica moderna non può essere identificata con la meccanica quantistica (MQ), anche se la MQ ne costituisce la trama essenziale, la legge costitutiva; la chimica è basata sulla conservazione della massa e sulle leggi delle combinazioni scoperte da Lavoisier, Proust e Dalton, le quali sono leggi empiriche (ed approssimate). Si può dunque parlare di chimica (e fare chimica, grande chimica) senza introdurre la MQ.

Questo è un fatto, anche se i colleghi teorici o i fisici potranno ripetere quanto vorranno che dopo tutto la chimica è una delle applicazioni della MQ; al momento dedurre tutto dalla MQ, con procedimenti ab initio è un tantino costoso in termini di tempo e soprattutto oscuro alla gran parte delle persone, inclusi molti chimici.

Ciò detto però occorre chiarire che la MQ è e rimane il fondamento concettuale, teorico di tutta la faccenda, una sorta di rete nascosta che correla tutto il contenuto della chimica; tuttavia la sua essenza matematica è talmente complessa che l’uomo comune e anche il chimico comune possono farne a meno in molti casi. In altri casi la correlazione esiste ma è talmente complessa da sfuggire, al momento non la conosciamo. La questione a questo punto diventa opposta; ma se è possibile fare della chimica anche facendo a meno della MQ come si fa a giustificare la MQ? Esistono fenomeni comuni che la testimonino a tutti, anche all’uomo comune o al chimico più limitato?

Altrimenti la MQ diventerebbe una sorta di deus ex machina, ma chiunque potrebbe dire, “roba da professori, non ci serve”.

La risposta è si, esistono fenomeni fondamentali, ed alcuni di essi sono sotto i nostri occhi, che non si possono interpretare senza MQ; il più basilare e comune di essi, facile da esplorare è la interazione fra luce e materia, in particolare c’è un fenomeno comunissimo dell’interazione luce-materia che ognuno può osservare e che è la quintessenza della MQ, ossia la quantizzazione delle interazioni luce-materia, il fatto che alcune frequenze sono molto più adatte di altre a fare certe cose, anzi sono uniche, ben determinate sempre uguali e facilmente misurabili.

I fenomeni a cui faccio riferimento sono gli spettri a righe sia in emissione che in assorbimento.

La luce emessa da alcune comuni sorgenti e quella assorbita, attorno a noi proveniente dalla più importante sorgente luminosa del nostro pianeta, il Sole, è quantizzata, è rappresentata solo da alcune righe ben precise, che sono luminosissime in emissione e scurissime in assorbimento (queste ultime sono le cosiddette righe di Fraunhofer).

Entrambe queste tipologie di righe, non spiegabili con la fisica classica, possono essere viste con strumenti semplici ed usate per dimostrare a tutti le peculiarità base della MQ.

La scienza che studia gli spettri si chiama spettroscopia ed è un argomento molto bello ed interessante, ma spesso considerato ingiustamente “avanzato”. Il suo strumento base è lo spettroscopio, un dispositivo separatore che serve a separare la luce nelle sue componenti di frequenza diversa. La base di questo effetto separatore è conosciuta a tutti, è la rifrazione della luce, l’angolo diverso di uscita della luce da certi mezzi trasparenti a seconda della sua frequenza (che dipende a sua volta dalla diversa velocità della luce NEL MEZZO trasparente); è un fenomeno che dà origine all’arcobaleno e che tutti voi avete potuto osservare dopo una forte pioggia, ma anche vicino ad una cascata o ad una fontana in un giorno soleggiato. Fu analizzato fin dal 900dC (da uno studioso arabo che scrisse per primo una legge di Snell-Cartesio) anche se comunemente si accetta che sia stato Newton a darne una interpretazione “moderna”; non mi addentro ma la disamina sarebbe interessante. Trovate una spiegazione molto dettagliata qui.

Nei prossimi post vi racconterò quindi come si fa a costruire un semplice ma potente spettroscopio usando strumenti e materiali molto semplici e comuni ed in genere non costosi e ad osservare tramite esso questi due tipi di spettri, facendo se possibile anche delle osservazioni quantitative.

Gli oggetti che vi servono assolutamente sono una macchina fotografica comune o almeno un cellulare, ma meglio sarebbe una macchina reflex, ossia una con obiettivo smontabile; un ago da cucito ben lucido e di generose dimensioni, che costituirà la nostra fenditura; una stoffa di velluto nero, il velluto ha la proprietà di assorbire la luce e costituisce un ottimo sfondo; un reticolo di diffrazione, costituito di solito da un foglio di polimero su cui sono state stampate delle righe parallele in gran numero, dell’ordine di centinaia o migliaia per mm; il costo di questo foglio è molto ridotto, tanto è vero che viene usato per costruire occhiali “da discoteca” usa e getta. Dove acquistarlo? Si tratta dell’unico oggetto diverso dal comune, che potrebbe è vero essere sostituito da un CD o un DVD, ma personalmente ho trovato semplice comprare un foglio stampato su internet; ve ne mostro un possibile link.

https://www.amazon.com/Diffraction-Gratings-Slide-Excellent-demonstrating/dp/B006ZBISI4

costa qualche euro e si trovano fogli interi non montati per poco di più. Fra i dieci e i venti euro:

https://www.amazon.it/Rotolo-Foglio-Reticolare-Diffrazione-Lineare/dp/B007G0MW2Q

A questo punto il vostro spettroscopio è solo da montare. Per tenere il foglio di plastica davanti all’obiettivo fotografico si può usare un supporto per filtri Cokin, che si avvita sull’obiettivo e costa meno di dieci euro.

L’ago potrebbe essere sostituito meglio da un cilindro metallico lavorato accuratamente con una rugosità bassa, diciamo fra i 50 e i 100 nanometri; un ago ha una superficie che presente dei difetti più grandi e questo contribuisce a spezzare l’immagine della luce riflessa fornendo una apparenza “spettrale”, delle righe scure perpendicolari a quelle effettive che disturbano l’immagine principale (il cosiddetto transversalio, un elemento immaginario). Per ridurre l’effetto del transversalio mi sono procurato cilindri di questo tipo facendoli fare da industrie meccaniche che fanno lavori del genere o producono pezzi di cuscinetti (in realtà un grosso cuscinetto o una palla dell’albero di Natale è una fenditura di riflessione a sua volta); il costo di un cilindro non supera i 30-40 euro, spedizione compresa. La macchina fotografica che ho usato è una Canon digitale che già possedevo, una reflex è comoda per poter scegliere l’obiettivo adatto; nel mio caso è una 550D usata, che sul mercato vale sui 200 euro senza obiettivo. Non l’ho acquistata per questo come non ho acquistato per questo gli obiettivi o il treppiede che consente di avere immagini stabili e ben controllate. Ma si tratta in ogni caso di oggetti sostituibili con altri simili. Ho scelto la Canon perchè il software di funzionamento della Canon è di fatto disponibile e un numeroso gruppo di appassionati internazionali lo ha riscritto sfruttando le routine di sistema e col nome di Magic Lantern si ha a disposizione un software alternativo potentissimo che consente di fare cose incredibili a costo zero. Ma questo è un altro tema.Lo spettro di emissione di una lampada fluorescente ad alta efficienza ottenuto con il metodo descritto. Le righe visibili sono da attribuire a vari elementi fra i quali predomina il mercurio. A sin. il riflesso zero e a destra le righe colorate che costituiscono il riflesso del primo ordine. La fenditura lavora in riflessione ed è costituita dall’ago, che funge anche da riflesso zero.

Ovviamente ci vuole anche un po’ di inventiva per adattare le soluzioni che vi propongo qui al vostro caso specifico; inoltre potrete usare dei riferimenti per così dire di letteratura, nel senso che libri, articoli sul tema della spettroscopia amatoriale e anche software dedicato una volta che avrete qualche immagine si sprecano.

Fra gli altri abbiamo in Italia un autore prolifico e molto bravo che si è occupato della spettroscopia amatoriale, Fulvio Mete che ha pubblicato nel 2016, mettendolo online, un testo in italiano di ben 377 pagine dedicato al tema, frutto di una attività multidecennale dedicata a questo tema appassionante:Cenni di Spettroscopia astronomica Amatoriale, che trovate qui e che vi consiglio assolutamente, oltre ai riferimenti che troverete in questi articoli.

Notiamo anche una cosa importante, non vi sto consigliando l’uso di un prisma come separatore delle frequenze; i prismi sono costosi e pesanti; vi sto consigliando un reticolo di diffrazione, fra l’altro trasparente. Ma come funziona?

Mentre il prisma usa la rifrazione per separare le frequenze, il reticolo sia di riflessione che di trasmissione sfrutta invece la diffrazione, ossia sfrutta la natura ondulatoria della luce. E questo comporta che l’effetto sulla separazione sia ben diverso come qui mostrato in figura: 1 il reticolo, 2 il prisma; vedete che la deviazione è opposta e il prisma in più mostra un solo ordine di raggi.Il prisma devia di più le radiazioni a lunghezza d’onda più corta; ma allora perchè l’arcobaleno mostra il violetto più vicino al centro? La domanda è utile a ricordare come funziona l’arcobaleno: noi vediamo l’immagine come mostrato nella figura qui sotto e la vediamo con il Sole alle spalle, tenetene conto e invertite il vostro modo di “vedere” le cose:Torniamo all’argomento principale.

Allora un reticolo di diffrazione è costituito semplicemente di fenditure affiancate in gran numero (i primi furono costruiti allineando su una coppia di viti dei capelli, Journal of the Franklin Institute Volume 214, Issue 1, July 1932, Pages 99-104 ) dall’astronomo americano David Rittenhouse nel 1785 (D. Rittenhouse, Trans. Amer. Phil. Soc. , 2:201 (1786) in risposta ad una domanda che gli era stata rivolta da F. Hopkinson

https://ia802605.us.archive.org/2/items/transactionsofame02amer/transactionsofame02amer.pdf

ed analogamente nel 1821 da J. v. Fraunhofer J. v. Fraunhofer, “Kurtzer Bericht von den Resultaten neuerer Versuche über die Gesetze des Lichtes, und die Theorie derselben,” Ann. d. Physik , 74:337-378 (1823) che li costruì tendendo dei fili finissimi molto vicini e incidendo il vetrino lungo le linee da essi individuate con un diamante e ci scoprì le insospettabili e misteriose righe nere che portano il suo nome nello spettro solare.

Come funziona il reticolo? Ogni incisione funge da sorgente del raggio in arrivo e questi raggi interferiscono tra di loro.

Esistono inoltre dei reticoli tridimensionali: i cristalli. Ogni nodo del reticolo (atomo o molecola) è un sito di diffusione. È la base della diffrazione dei raggi X, della figura di diffrazione in microscopia elettronica in trasmissione e della diffrazione neutronica.

Le scanalature di un compact disc agiscono come un reticolo di diffrazione producendo delle riflessioni iridescenti.

I comuni CD e DVD sono esempi quotidiani di reticoli di diffrazione: si può notare la loro capacità di scomporre la luce incidente osservandone la superficie. Questo è un effetto collaterale della produzione, infatti la superficie di un CD è ricoperta di molte piccole scanalature concentriche nella plastica ricoperte da un sottile strato di metallo che le rende più visibili. La struttura di un DVD è analoga.Uno dei primi spettri solari ottenuti dall’autore con il metodo descritto; l’immagine è volutamente naive per mostrare il contesto; notate la “fenditura di riflessione”, un semplice ago, il panno di velluto che costituisce lo sfondo, ma anche le piante del mio balcone e gli altri spettri dovuti a sorgenti indesiderate.Una immagine più recente ottenuta con un teleobiettivo, ma con il medesimo metodo, sfruttando un cilindro metallico. Notate il doppietto del sodio nella parte destra gialla dell’immagine. Circa 100mm di focale ed un reticolo da 500l/mm. Queste immagini si possono poi analizzare con vari programmi. Le bande luminose orizzontali dovute ai difetti superficiali della fenditura di riflessione, ossia dell’ago, sono definite transversalio, un elemento immaginario. Le macchie bianche sono un difetto del vellluto.

In definitiva i normali spettroscopi con cui lavora il chimico usano un prisma o un reticolo di diffrazione in riflessione e una fenditura di trasmissione; qua vi propongo di costruire in pochi passi una sistema costituito da una fenditura di riflessione (l’ago o il cilindro o la sfera di cuscinetto o la palla di Natale) e un reticolo di trasmissione.

Nella foto qui sopra il sistema al lavoro, a sin la macchina fotografica con un vecchio teleobiettivo Tamron 70-200 (25 euro) e davanti il filtro Cokin che monta il foglio di diffrazione e nel cui display vedete lo spettro della lampadina posta in alto, nel lampadario fuori vista; al centro dell’immagine, all’estremità del supporto di polistirolo ricoperto di stoffa nera e di una striscia di velluto la piccola “fenditura”, ossia il cilindro d’acciaio, opportunamente orientato e fissato alla stoffa con uno spillo e di cui le righe sono l’immagine riflessa e diffratta; sotto il risultato.(continua)

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