Luce e radiazione EMv2.pdf - ZyXEL NSA210

Appunti su luce e radiazione elettromagnetica -1-Che cos’è la luce?Nel corso della storia molti scienziati si sono occupati della luce e, per comprenderne le manifestazioni,hanno avanzato numerose ipotesi proponendo modelli apparentemente in contraddizione tra loro.Oggi si usano due modelli che la descrivono.1) Il modello particellare o corpuscolare che descrive e spiega la propagazione di un fascio luminosocome lo spostamento di un gruppo di particelle di energia (chiamate in generale quanti di energia o fotoni,anche se quest’ultimo termine lo si preferisce nel caso della luce). I fotoni nel loro percorso rimbalzanocontro gli elettroni atomici provocandone l’espulsione o vengono assorbiti (in determinate condizioni)cedendo in un sol colpo tutta l’energia che trasportano.2) Il modello ondulatorio descrive un fascio di luce come un’onda elettromagnetica. Questo modellopermette di chiarire i fenomeni tipici delle onde quali la diffrazione, l’interferenza e la risonanza ma anche ifenomeni della rifrazione e della riflessione.Il Modello ondulatorioUn’onda è un sistema tramite il quale l’energia si propaga nello spazio. Il passaggio dell’onda comporta laperturbazione delle proprietà della materia o dello spazio vuoto attraversato.Le onde elettromagnetiche sono perturbazioni delle proprietà elettriche e magnetiche che alternandosi erichiamandosi rapidamente si espandono nella materia ma anche nello spazio vuoto.Se due onde si sovrappongono l’effetto complessivo è la somma degli effetti singoli.Un’onda quando si propaga può subire delle modifiche che la portano a separarsi in onde più semplici eregolari. Le onde dove la perturbazione varia in modo sinusoidale in funzione del tempo vengono chiamatemonocromatiche.Un’onda monocromatica è caratterizzatada un’ampiezza (A), da una lunghezzad’onda ( e da una velocità dipropagazione (c ) (Nel vuoto le ondeelettromagnetiche viaggiano tutte ad unavelocità c = 2,9979 . 10 8 m/s 300'000km/s).Queste tre grandezze permettono di calcolare:- la frequenza (unità z]= [s -1 ] ) con cui l’onda elettromagnetica può mettere in oscillazione una caricaelettrica che incontra nel suo cammino. La frequenza è inversamente proporzionale alla lunghezza d’ondasecondo la relazione = c.- il periodo di tempo (T, unità [s]) che impiega l’onda per compiere un’oscillazione completa T=1/- l’intensità (I, unità [W/m 2 ] = [J/(s.m 2 )]) ovvero il flusso di energia che per unità di tempo passa attraversouna determinata superficie I prop. A 2 ; nel modello corpuscolare l’intensità non è altro che l’energiatrasportata dai fotoni che attraversano in un secondo 1 m 2 di superficie.

Appunti su luce e radiazione elettromagnetica -2-La relazione di Planck mette in relazione la natura corpuscolare e ondulatoriadella luceNell’equazione di Planck si afferma che l’energia di un fotone è direttamente proporzionale alla frequenzadell’onda elettromagnetica a cui appartiene:E f = h.dove E f è l’energia (espressa in J) del singolo fotone nel fascio di luce monocromatica considerato“h”è una costante di proporzionalità chiamata “costante di Planck” e vale 6,62. 10 -34 J.sUn fascio di radiazione monocromatica costituito da n fotoni trasporta pertanto un’energia pari a :E tot = n. E f = n. h. Radiazione elettromagnetica e materiaLa composizione o spettro delle onde elettromagneticheTutte le onde elettromagnetiche possono essere scomposte nelle rispettive onde monocromatiche o esseresintetizzate partendo da queste. Le onde elettromagnetiche sono classificate in funzione della loro frequenzao della loro lunghezza d’onda.Gli intervalli difrequenza sonochiamati anche bande,quelli legate amanifestazionicaratteristiche sonoriportate nella tabella.Banda Origine o effetto tipicoOnde radio > ~ 1m Oscillazione degli elettroni di valenza nei metalliMicroonde 1 cm-1m Rotazione della molecolaInfrarossi 1 m – 1 cm Vibrazioni interne della molecolaLuce visibile ~ 400 – 750 nm Modifica del livello energetico degli elettroni di valenza di unamolecola di coloranteRaggi UV ~10- 400 nm Modifica del livello energetico degli elettroni di valenza erottura dei legami chimici con formazione di radicali liberiRaggi X 1-10 nm Modifica del livello energetico degli elettroni interni eformazione di ioni e radicali liberi.Raggi 1 pm - 1 nm Modifiche dello stato energetico nucleare o intensa formazionedi ioni e radicali liberiRaggi cosmici < 1 pm Esplosioni di stelle, intensa ionizzazione della materia,formazione di antiparticelle.

Appunti su luce e radiazione elettromagnetica -3-Nella radiazione elettromagnetica a bassa frequenza (onde radio, microonde,…)sono presenti dei fotoni conpoca energia. Nella radiazione elettromagnetica ad alta frequenza (raggi UV, raggi X, raggi sonopresenti quanti con molta energia, l'energia che scaricano quando vengono assorbiti può causare quindi deidanni notevoli alla materia.Esercizio: verifica se i fotoni della radiazione infrarossa sono in grado di strappare un elettrone da un atomoisolato di neon. Stessa domanda per i raggi .Emissione luminosa e spettri di emissionePer analizzare la luce è necessario scomporlanelle sue componenti monocromaticheutilizzando un prisma (che disperde la lucenello spazio con un angolo diverso adipendenza della frequenza) o un reticolo didiffrazione. La radiazione monocromatica (adesempio la luce LASER) non vienescomposta né dal prisma né dal reticolo didiffrazione.Una radiazione che contiene solo un numerodeterminato di componenti monocromatiche si dice che possiede uno spettro discontinuo chiamato anchespettro a righe. Se si analizza la luce del “neon” con uno spettroscopio, si osserva uno spettro di questotipo. La radiazione elettromagnetica possiede uno spettro continuo se le sue componenti monocromatichepossono assumere una qualsiasi frequenza entro un intervallo determinato. La luce solare e la luce di unalampada ad incandescenza hanno uno spettro continuo che copre tutta la banda spettrale del visibile(400 nm – 750 nm). La luce solare osservata attraverso un filtro verde ha uno spettro continuo concentrato inuna banda, che va da 480 nm a 580 nm circa.La composizione della luce emessa da un corpo si descrivere normalmente utilizzando un grafico chiamatospettro di emissione dove si rappresenta l’intensità delle diverse componenti monocromatiche presenti infunzione della loro lunghezza d’onda.Fig. a) spettro di emissione a righeb) Spettro di emissione continuoII nmnm Una radiazione elettromagnetica che ha la composizione indicata dallo spettro di figura a) contiene duecomponenti monocromatiche nella banda del visibile e una nell’infrarosso.Una radiazione elettromagnetica che ha la composizione indicata dallo spettro di figura b) contiene infinitecomponenti monocromatiche sia nella banda del visibile che in quella dell’infrarosso e dell’ultravioletto.Per emettere luce un corpo deve poter funzionare da "trasferitore di energia" sulla REM che irradia.

Appunti su luce e radiazione elettromagnetica -4-Tutti i corpi emettono radiazioni elettromagnetiche in quanto possono trasformare parte dell’energia termicain radiazione elettromagnetica. Solo se la temperatura del corpo supera un certo valore, si assisteràall’emissione luminosa che conterrà inizialmente quasi solo fotoni rossi (quelli della luce che trasportanomeno energia). Ai fotoni rossi si aggiungeranno gli altri in ordine di frequenza crescente, man mano che latemperatura del corpo aumenta.Lo spettro della luce emessa da un corpo solido o liquido incandescente è continuo e dipende dallatemperatura.Nel tubo al neon e nella lampada aivapori di sodio l’emissione di luce èdovuta alla trasformazione, da partedegli atomi isolati, dell’energiacinetica degli elettroni (correnteelettrica) in radiazioneelettromagnetica: l’atomo acquista unquantitativo di energia che emette poicome fotone.Sia nell’emissione da parte di uncorpo incandescente che in quella diun atomo di sodio o “neon”isolato, ilfotone viene prodotto quasi sempre daun elettrone che perde parte della suaenergia. Quando gli atomi si trovano aggregati in corpi solidi o liquidi, i rispettivi elettroni possonoassumere fotoni di energia variabile; lo spettro della luce emessa è quindi continuo. Quando gli atomi sonoisolati, possono possedere, quindi acquistare o cedere, solo determinati quantitativi di energia. Aconseguenza di ciò la luce emessa dagli atomi isolati contiene solo determinate frequenze e lo spettro è arighe.Assorbimento della radiazione elettromagnetica e spettri di assorbimentoQuando un fascio di radiazione elettromagnetica attraversa un corpo, la sua composizione spettrale puòsubire una modifica: le componenti monocromatiche che si trovano in quantità minore dopol’attraversamento sono state assorbite in parte o talmente. L’assorbimento di un fotone si osserva solo se ilcorpo riesce a raggiungere in questo modo un nuovo stato energetico.Quantizzazione dell’energiaGli stati energetici in cui si possono trovare “stabilmente” i corpi devono soddisfare le leggi della meccanicaquantistica che, nel mondo atomico, impongono dei vincoli rilevanti: si dice che l’energia è quantizzata epuò variare solo di determinate quantità, definite dal sistema.Se si considera ad esempio un gas molecolare in un recipiente chiuso, con una certa approssimazione sipossono considerare separatamente: il movimento degli elettroni, i movimenti di vibrazione, di rotazione e ditraslazione della molecola. Per ognuno di questi gradi di libertà, le molecole potranno assumere solodeterminati valori di energia . Nel sistema saranno quindi possibili stati in cui le molecole avranno unadeterminata energia elettronica, vibrazione, rotazionale e di traslazione.Se si rappresentano su di un asse gli stati energetici possibili si ottiene la figura a pagina seguente dove:

Appunti su luce e radiazione elettromagnetica -5-1) Energia dello stato elettronico fondamentale della molecola con i suoi stati vibratori, rotatori e traslatori2) Energia degli stati elettronici della molecola3) Energia degli stati vibratori della molecola4) Energia degli stati rotatori della molecola5) Energia degli stati traslatori della molecolaEnergiaL’assorbimento di una radiazioneelettromagnetica può avere diversi effetti adipendenza dell’energia del quanto diradiazione: le microonde causano un aumentodella rotazione molecolare, gli infrarossiinfluenzano la vibrazione molecolare, gliultravioletti modificano l’energia deglielettroni di valenza mentre i raggi Xcoinvolgono gli elettroni interni.1 2 3 4 5La percentuale della radiazione elettromagnetica trasmessa è chiamata anche trasmittanza percentualeT% = I t /I o .100 dove I t = intensità della luce che riesce ad uscire dal campione e I o = intensità della luceincidente.L’assorbimento di radiazione elettromagnetica da parte di un corpo dipende dalla lunghezza d’onda dellaradiazione utilizzata e lo si descrive utilizzando un grafico chiamato spettro di assorbimento. Lo spettro diassorbimento di una sostanza è una sua caratteristica distintiva importante che permette di identificarla.Fig a) spettro di assorbimento a righeSpettro di assorbimento continuoT%1000 nm 0 nmUna corpo che ha uno spettro di assorbimento come quello rappresentato nella figura a), assorbe duecomponenti monocromatiche nella banda del visibile e una nell’infrarosso. La percentuale di radiazioneassorbita dipende dalla lunghezza d’ondaUna corpo che ha uno spettro di assorbimento come quello rappresentato nella figura b), assorbe infinitecomponenti monocromatiche sia nella banda del visibile che in quella dell’infrarosso ma non assorbenell’ultravioletto.

Appunti su luce e radiazione elettromagnetica -6-Per i corpi liquidi e solidi le differenze tra uno stato elettronico e l’altro sono così vicine da essere praticamenteindistinguibili, si osserva pertanto uno spettro di assorbimento continuo: la figura a) rappresen-ta lospettro di assorbimento di un corpo gassoso mentre la figura b) quella di un corpo liquido o solido.Fig a) L’analisi delle radiazioni emesse permette diidentificare gli elementi o le sostanze presenti in undeterminato materiale. La spettroscopia di fiamma siusa per identificare la presenza di elementi, come imetalli alcalini, che hanno elettroni facilmenteeccitabili.Fig b)Rappresentazione del modello dell’atomoproposto da Bohr, che permette di rappresentarel’assorbimento e l’emissione atomica e che permette dicalcolare i livelli energetici così come l’energiacoinvolta.Il destino dell’energia assorbitaL’energia assorbita dalla radiazione elettromagnetica viene trasformata in altre forme. Si hannoprincipalmente le seguenti quattro possibilità:1) Trasformazione in energia termica: l’energia assorbita si distribuisce sull’intera molecola come energia divibrazione e rotatoria, si trasferisce alle altre molecole come energia cinetica di traslazione. Questatrasformazione è la più frequente ed è quella più desiderata per le sostanze che si usano come coloranti e chenon devono alterarsi nel tempo.2) Trasformazione in energia chimica: l’energia assorbita è localizzata in una zona ristretta della molecolache subisce una trasformazione chimica. Il rendimento quantico di queste reazioni è di regola basso ma visono delle eccezioni. L’ 11-cis-retinale presente nella rodopsina dei coni e dei bastoncelli, reagiscevelocemente e con un rendimento quantico 1 elevato trasformandosi nel trans isomero. La progressivadecolorazione alla luce delle sostanze coloranti scadenti è una trasformazione fotochimica.3) Trasformazione in radiazione elettromagnetica di altra frequenza: l’energia elettromagnetica assorbitaviene nuovamente emessa come radiazione elettromagnetica di lunghezza d’onda superiore. Se l’emissioneavviene in modo praticamente istantaneo all’assorbimento si parla di fluorescenza altrimenti si parla difosforescenza.4) Trasferimento dell’energia chimica assorbita ad altre molecole: l’energia assorbita è ceduta a molecole dialtre sostanze presenti nel sistema, le quali sono così poste in grado di subire una trasformazione chimica. Lamolecola agisce da antenna per la radiazione elettromagnetica e poiché accelera la reazione fotochimica1 È il rapporto tra il numero di fotoni che provocano la trasformazione chimica e il numero totale di fotoni assorbiti. Unrendimento quantico pari a 4/10 vuol dire che solo 4 fotoni su 10 sono in grado di provocare la reazione.

Appunti su luce e radiazione elettromagnetica -7-senza modificarsi la si può considerare come un catalizzatore. Esempi importanti sono la fotosintesiclorofilliana e la sensibilizzazione delle emulsioni fotografiche alle radiazioni infrarosse mediante l’aggiuntadi particolari sostanze.La legge dell’assorbimento di Lambert eBeerQuasi sempre si trova che, l’assorbimento di una radiazione monocromatica da parte di una soluzionecolorata dipende esponenzialmente dalla concentrazione (c ) del colorante e dal percorso (l) della luce. Se sidefinisce come trasmittanza (T) il rapporto tra l’intensità della luce trasmessa e quella della luce incidente sitrova che:La trasmittanza è T = I t /I o =10 . c.lo I t = I o .10 . c.ldove è chiamato coefficiente di estinzione ed è una grandezza caratteristica della sostanza esaminata. dipende dalla lunghezza d’onda ed esprime la probabilità che un fotone di lunghezza d’onda vengaassorbito da una molecola della sostanza considerata.Spesso nel rappresentare gli spettri di assorbimento al posto di rappresentare la trasmittanza del campione infunzione della lunghezza d’onda, si ricorre all’assorbanza che è definita come:A= log 1/TCon l’assorbanza, la legge di Lambert-Beer diventa: A = .c.lLuce e coloreUn corpo ci può apparire colorato perché emette luce propria (è una sorgente luminosa) o perché rifletterifrange, disperde o assorbe della luce proveniente da una sorgente luminosa. Un foglio ci appare biancoperché da ogni suo punto ci proviene il riflesso della luce bianca che lo colpisce. Un corpo ci apparirebbenero se assorbisse tutta la luce che lo colpisce. Bianco nero e grigio sono chiamati colori acromatici. Undiamante ci appare con dei riflessi colorati in quanto rifrange la luce provocandone una parzialescomposizione (come in un prisma). Un compact Disk ci appare colorato a dipendenza della posizione dallaquale lo osserviamo poiché agisce come un reticolo di diffrazione.Nel caso della riflessione totale, diffrazione e rifrazione la composizione spettrale della luce non vienemodificata dall’oggetto: le diverse componenti della luce vengono rimandate in diverse direzioni dellospazio. Questi tre fenomeni sono fortemente influenzati dalla geometria del corpo.L’assorbimento invece provoca una modifica nella composizione spettrale della luce che lo attraversa.L’occhio è in grado di differenziare le luci monocromatiche di varia lunghezza d’onda e perciò distingue idiversi colori dello spettro. Non ha però potere risolutivo e quando è colpito contemporaneamente daradiazioni di diverse lunghezze d’onda, “vede” sempre un unico colore.Due luci bianche non hanno per forza la medesima composizione spettraleLa luce del giorno ci appare bianca, il bianco è la percezione che nasce quando nel nostro cervello arrivanodall’occhio tutti gli stimoli generati dalle componenti monocromatiche della luce solare, che arrivano sullaretina. Per la visione diurna a colori si trovano sulla retina tre diversi tipi di cellule chiamate coni. Ognuna diqueste cellule è sensibile a delle bande di radiazione elettromagnetica che complessivamente copronol’intervallo da 400 a 750 nm circa. L’eccitazione dei tre tipi di coni che è in grado di provocare la lucediurna si può ottenere anche con un altro tipo di luce (es. neon) che verrà egualmente percepita come biancaanche se avrà una diversa composizione spettrale.

Appunti su luce e radiazione elettromagnetica -8-I colori di due fasci luminosi sono chiamati complementari se la loro sovrapposizione ci da la sensazione dibianco. I colori complementari sono riportati nel cerchio cromatico sottostante.È interessante notare che non tutti icolori spettrali hanno un colorespettrale come colore complementare:il verde, ad esempio, che esiste nellospettro della luce solare ha comecolore complementare il porpora chenon fa parte dei colori spettrali.Se una sostanza assorbe una radiazioneluminosa di lunghezza d’ondacorrispondente ad un settore delcerchio cromatico, essa appare delcolore descritto nel settore opposto: sead esempio un corpo assorbe il violettoci apparirà giallo-verde. Il colore dellaradiazione assorbita e quello dellaradiazione trasmessa ( e quindipercepita dagli occhi) sono coloricomplementari.Naturalmente le variazioni di colore alcrescere della lunghezza d’onda sonograduali e continue; la suddivisione insettori è arbitraria e le delimitazioniriportate sul cerchio cromatico possono variare da osservatore ad osservatore.La quantità di luce assorbita, ad una determinata lunghezza d’onda, influenza il colore percepito che appariràpiù o meno luminoso rispettivamente più o meno saturo.Due luci dello stesso colore non hanno per forza la medesima composizione spettraleUn esempio a riguardo è il seguente. Arancione e azzurro sono due colori spettrali ed anche coloricomplementari. Se un oggetto assorbe la luce arancione, l’occhio riceve tutte le altre radiazioni dello spettrovisibile e vede l’oggetto di colore azzurro. Un oggetto mi appare azzurro anche se assorbe tutte lecomponenti monocromatiche tranne quella dell’azzurro.La luminosità e saturazione di questi azzurri sarebbe comunque diversa.Sintesi additiva delle luci e sottrattiva dei colorantiSi parla di sintesi additiva dei colori quando si considerano delle luci colorate. La luce rimandataall’occhio dalla parte dello schermo sulla quale si intersecano un fascio di luce rossa, uno di luce verde e unodi luce blu, ci apparirà come bianca. Lo schermo del televisore e del computer utilizza una sintesi additivaper ottenere i colori. I colori delle tre luci più utilizzate, per sintetizzare una luce di un colore qualsiasi, sonoil rosso, il verde e il blu (RGB) .Si parla di sintesi sottrattiva dei colori quando si considerano dei coloranti: se si mescolano tre colorantiuno blu, l’altro verde e il terzo rosso, la miscela ci appare di un marrone scuro. I tre coloranti hannoassorbito quasi tutte le componenti monocromatiche della luce solare. Miscelando dei coloranti non siriuscirà mai ad ottenere un bianco, anzi, più coloranti si aggiungono alla miscela e più scuro risulterà ilcolore finale.I pittori possono ottenere i loro colori solo mediante la sintesi sottrattivi, i colori basi possono essere diversi itre più usati sono il giallo, il magenta e il ciano (azzurro-verde).

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