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1 aprile 2004. Daniela Rebuzzi. 2. La luce visibile. E' un'onda elettromagneticaottica elettromagnetica ottica quantistica? (?)
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1. 1 aprile 2004 Daniela Rebuzzi
1 Lo Spettroscopio La luce visibile
Le righe spettrali
Spettri di emissione e di assorbimento
Latomo di Bohr
Richiami di ottica
Rifrazione e dispersione di un prisma
Spettroscopio di Kirkhhoff-Bunsen
Modalit dellesperimento
Taratura dello spettroscopio
Misura di uno spettro di emissione
Struttura della relazione
2. 1 aprile 2004 Daniela Rebuzzi
2 La luce visibile E unonda elettromagnetica
ottica elettromagnetica
ottica quantistica
? (?) legata al colore
? piccole (? grandi) ? viola
? grandi (? piccole) ? rosso
Luce bianca: composta da colori che possono essere dispersi e ricombinati mediante un prisma
3. 1 aprile 2004 Daniela Rebuzzi
3 Le righe spettrali La luce che si ottiene riscaldando un elemento chimico non contiene lintero 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 dellatomo
Le lampade per lillumimazione 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 pu dire che lampada si sta guardando analizzando le sue righe spettrali
La spettroscopia la scienza che utilizza le righe spettrali per individuare la composizione di un determinato oggetto (es. stelle lontane)
4. 1 aprile 2004 Daniela Rebuzzi
4 Le righe spettrali Osservate per la prima volta nello spettro della luce solare da Wollaston (1802)
Fraunhofer (1814) le studi e le catolog registrando la loro posizione senza capirne lorigine e il significato
Kirkhhoff e Bunsen (1850) esposero varie sostanze alla fiamma di un becco Bunsen
In seguito anche il gallio, lelio, largon, il neon, il kripton e lo xenon vennero scoperti per mezzo della spettroscopia
5. 1 aprile 2004 Daniela Rebuzzi
5 Gli spettri di assorbimento Fraunhofer osserv 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 dellarcobaleno ma lo spettro contiene anche una serie di righe scure
lo spettro continuo della luce solare possiede circa 600 righe scure che Fraunhofer osserv (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),
6. 1 aprile 2004 Daniela Rebuzzi
6 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 donda)
tutte le frequenze attraversano tranquillamente il gas, tranne quelle con una particolare lunghezza donda che vengono invece assorbite
lo spettro con queste frequenze mancanti 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 donda 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...
7. 1 aprile 2004 Daniela Rebuzzi
7 Latomo 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
Lenergia, sotto forma di fotoni (pacchetti di energia), emessa o assorbita solo per transizioni da uno stato stazionario ad un altro
Lenergia degli elettroni pu cambiare solo per piccoli salti discreti (quanti)
I fotoni assorbiti o emessi hanno energia che corrisponde alla spaziatura (energetica) tra uno stato stazionario e laltro
I fotoni sono radiazioni ad energia quindi lunghezza donda fissata? ecco perch delle righe discrete
8. 1 aprile 2004 Daniela Rebuzzi
8 Perch le righe spettrali Riscaldando gli atomi di una determinata sostanza si fornisce loro energia e qualche elettrone pu saltare ad un livello energetico superiore. Quando ritorna al livello inferiore, latomo emette un fotone ad una delle frequenze caratteristiche dellelemento (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 donda) interagiscono con gli atomi di un gas freddo, possono venire assorbiti purch abbiano la lunghezza donda 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 donda assorbite
9. 1 aprile 2004 Daniela Rebuzzi
9 Dispersione e Rifrazione Fenomeno dovuto al fatto che lindice di rifrazione di un mezzo dipende dal colore della luce, cio dalla sua lunghezza donda (o dalla sua frequenza)
La deviazione di un raggio luminoso in seguito a rifrazione (in un prisma, ad es.) diversa per ciascuna delle singole componenti monocromatiche che lo costituiscono
Indice di rifrazione n ? funzione decrescente di ?
10. 1 aprile 2004 Daniela Rebuzzi
10 Spettroscopio di Kirkhhoff-Bunsen Costituito da una piattaforma orizzontale fissa che porta un prisma, un collimatore, un cannocchiale e un proiettore.
Scopo del collimatore quello di fornire, quando la lente illuminata attraverso la fenditura, un fascio di raggi paralleli che poi incide su una faccia del prisma
Il fascio incidente di raggi paralleli disperso dal prisma in tanti fasci diversamente inclinati a seconda della lunghezza donda che forniscono nel canocchiale altrettante immagini della fenditura
La luce bianca d uno spettro continuo, dal rosso (meno deviato) al violetto (pi deviato), altre luci danno spettri di righe o bande
11. 1 aprile 2004 Daniela Rebuzzi
11 Spettroscopio di Kirkhhoff-Bunsen
Il proiettore costituito da un tubo fissato sulla piattaforma in posizione opportuna rispetto al prisma e al cannocchiale. Allestremit verso il prisma porta una lente convergente e allaltra estremit una scala graduata che illuminata allesterno del tubo da una lampada, viene raccolta nel cannochiale.
Nel campo del cannocchiale si vedono sovrapposti lo spettro della luce in esame e limmagine della scala graduata
possibile riferire quindi le posizioni delle righe dello spettro alla graduazione della scala
12. 1 aprile 2004 Daniela Rebuzzi
12 Modalit dellesperienza 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 intensit 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 donda.
Illuminare la fenditura con la lampada a Hg che fornisce righe spettrali le cui singole lunghezze donda 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 pi essere mossa
Prendere nota della posizione sulla scala delle righe spettrali, costruendo una TABELLA DI TARATURA |?() |posizione() |errpos|
13. 1 aprile 2004 Daniela Rebuzzi
13 Modalit dellesperienza Lerrore di lettura sulla scala graduata pari al valore di mezza tacca ed 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 donda e posizione delle righe spettrali del Hg
Posizione delle righe (da 0 a 5) in ascissa, con relativo errore
Lunghezza donda (da 4000 a 6500) in ordinata
Si ritenga trascurabile lerrore sulla conoscenza della lunghezza donda
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 DONDA DELLO SPETTRO DI EMISSIONE DI UNA SOSTANZA IGNOTA
Misurare la posizione (in gradi) delle righe pi brillanti della lampada incognita e stimare la loro lunghezza donda utilizzando la curva di taratura
Di che elemento si tratta?
14. 1 aprile 2004 Daniela Rebuzzi
14 Struttura della relazione Titolo
Scopo dellesperienza
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 dellapparato 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
15. 1 aprile 2004 Daniela Rebuzzi
15 Righe spettrali del sodio