Lo Spettroscopio
La luce visibile
Le righe spettrali
Spettri di emissione e di assorbimento
L’atomo di Bohr
Richiami di ottica
Rifrazione e dispersione di un prisma
Spettroscopio di Kirkhhoff-Bunsen
Modalità dell’esperimento
Taratura dello spettroscopio
Misura di uno spettro di emissione
Struttura della relazione
1 aprile 2004
Daniela Rebuzzi
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La luce visibile
E’ un’onda elettromagnetica
 ottica elettromagnetica
 ottica quantistica
Caratterizzata da
Lunghezza d’onda  
si misura in Angstrom
(1Å=10-8cm)
Periodo T = tempo
impiegato per percorrere la
distanza 
Frequenza   si misura
in Hertz (Hz)
 () è legata al colore
 piccole ( grandi)  viola
 grandi ( piccole)  rosso
Luce bianca: composta da colori che possono essere dispersi e
ricombinati mediante un prisma
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Daniela Rebuzzi
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Le righe spettrali
La luce che si ottiene riscaldando un elemento chimico non contiene
l’intero 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 dell’atomo

Le lampade per l’illumimazione 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 può dire che lampada si sta guardando analizzando le sue righe
spettrali
La spettroscopia è la scienza che utilizza le righe spettrali per
individuare la composizione di un determinato oggetto (es. stelle
lontane)
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Le righe spettrali
Osservate per la prima volta nello spettro della luce solare da
Wollaston (1802)
Fraunhofer (1814) le studiò e le catologò registrando la loro
posizione senza capirne l’origine e il significato
Kirkhhoff e Bunsen (1850) esposero varie sostanze alla fiamma
di un becco Bunsen
Un dato elemento produceva sempre lo
stesso spettro, differente da quello di ogni
altro elemento
cesio e rubidio vennero scoperti perchè le
loro righe spettrali non corrispondevano a
quelle di nessun elemento conosciuto
 In seguito anche il gallio, l’elio, l’argon, il neon, il kripton e lo
xenon vennero scoperti per mezzo della spettroscopia
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Gli spettri di assorbimento
Fraunhofer osservò 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 dell’arcobaleno ma lo
spettro contiene anche una serie di righe scure
lo spettro continuo della luce solare possiede circa 600 righe scure che
Fraunhofer osservò (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),
Fraunhofer stava scoprendo che c’é un altro modo in cui gli
elementi possono produrre uno spettro
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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 d’onda)
 tutte le frequenze attraversano tranquillamente il gas, tranne
quelle con una particolare lunghezza d’onda che vengono invece
assorbite
lo spettro con queste frequenze mancanti è 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 d’onda 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...
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L’atomo di Bohr
Per spiegare il mistero delle righe spettrali, Bohr propose un
modello atomico radicalmente diverso (1913)
1. Gli elettroni ruotano su orbite circolari
attorno al nucleo. Se l’elettrone rimane su
un’orbita permessa (stato stazionario)
l’atomo non emette energia

2.
gli elettroni possono stare solo su orbite
speciali
L’energia, sotto forma di fotoni (pacchetti di energia), è
emessa o assorbita solo per transizioni da uno stato
stazionario ad un altro



L’energia degli elettroni può cambiare solo per piccoli
salti discreti (quanti)
I fotoni assorbiti o emessi hanno energia che
corrisponde alla spaziatura (energetica) tra uno stato
stazionario e l’altro
I fotoni sono radiazioni ad energia quindi lunghezza
d’onda fissata ecco perchè delle righe discrete
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Perchè le righe spettrali
Riscaldando gli atomi di una determinata sostanza si fornisce loro
energia e qualche elettrone può saltare ad un livello energetico
superiore. Quando ritorna al livello inferiore, l’atomo emette un
fotone ad una delle frequenze caratteristiche dell’elemento (o degli
elementi) che compongono la sostanza  spettro di emissione
Ogni elemento ha uno spettro di emissione caratteristico
Quando i fotoni che provengono da una sorgente bianca (che
contiene luce visibile di ogni lunghezza d’onda) interagiscono con gli
atomi di un gas freddo, possono venire assorbiti purchè abbiano la
lunghezza d’onda 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
 spettro di
corrispondenza delle lunghezze d’onda assorbite

assorbimento
Gas semplici  spettro a righe
Gas poliatomici complessi  spettro a bande
Solidi  spettro continuo
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Dispersione e Rifrazione
Dispersione (cromatismo per rifrazione)
= separazione della luce nelle sue
componenti monocromatiche
Fenomeno dovuto al fatto che l’indice di rifrazione di un mezzo
dipende dal colore della luce, cioè dalla sua lunghezza d’onda (o
dalla sua frequenza)
La deviazione di un raggio luminoso in seguito a rifrazione
(in un prisma, ad es.) è diversa per ciascuna delle singole
componenti monocromatiche che lo costituiscono
Indice di rifrazione n  funzione decrescente di 
A e B costanti caratteristiche
della sostanza rifrangente
 La deviazione cresce
andando dal rosso al viola
(nei prismi)
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Spettroscopio di Kirkhhoff-Bunsen
Costituito da una piattaforma orizzontale fissa che porta un prisma,
un collimatore, un cannocchiale e un proiettore.
Il collimatore è costituito da un tubo
metallico che porta, all’estremità rivolta verso
il prisma, una lente convergente acromatica e
all’altra una fenditura (di larghezza regolabile
mediante vite micrometrica) parallela allo
spigolo del prisma e posta nel piano focale
della lente convergente
Scopo del collimatore è quello di fornire, quando la lente è illuminata
attraverso la fenditura, un fascio di raggi paralleli che poi incide su
una faccia del prisma
Il fascio incidente di raggi paralleli è disperso dal prisma in tanti
fasci diversamente inclinati a seconda della lunghezza d’onda che
forniscono nel canocchiale altrettante immagini della fenditura
La luce bianca dà uno spettro continuo, dal rosso (meno deviato) al
violetto (più deviato), altre luci danno spettri di righe o bande
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Spettroscopio di Kirkhhoff-Bunsen
Il cannocchiale è mobile con una
piccola escursione nel piano orizzontale,
per poter osservare tutto lo spettro
visibile.
Il proiettore è costituito da un tubo fissato sulla piattaforma in
posizione opportuna rispetto al prisma e al cannocchiale.
All’estremità verso il prisma porta una lente convergente e
all’altra estremità una scala graduata che illuminata all’esterno
del tubo da una lampada, viene raccolta nel cannochiale.
Nel campo del cannocchiale si vedono sovrapposti lo spettro della
luce in esame e l’immagine della scala graduata
È possibile riferire quindi le posizioni delle righe dello spettro alla
graduazione della scala
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Modalità dell’esperienza
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 intensità 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 d’onda.
Illuminare la fenditura con la lampada a Hg che fornisce righe
spettrali le cui singole lunghezze d’onda 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 più essere mossa
Prendere nota della posizione sulla scala delle righe spettrali,
costruendo una TABELLA DI TARATURA |(Å) |posizione(°) |errpos|
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Modalità dell’esperienza
L’errore di lettura sulla scala graduata è pari al valore di mezza tacca
ed è 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 d’onda e posizione delle righe spettrali del Hg
Posizione delle righe (da 0° a 5°) in ascissa, con relativo errore
Lunghezza d’onda (da 4000Å a 6500Å) in ordinata
 Si ritenga trascurabile l’errore sulla conoscenza della lunghezza d’onda
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 D’ONDA DELLO SPETTRO DI
EMISSIONE DI UNA SOSTANZA IGNOTA
Misurare la posizione (in gradi) delle righe più brillanti della
lampada incognita e stimare la loro lunghezza d’onda utilizzando la
curva di taratura
Di che elemento si tratta?
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Struttura della relazione
Titolo
Scopo dell’esperienza
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 dell’apparato 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
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Righe spettrali del sodio
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Colore
 [Å]
Rosso
6164
Giallo I
5896
Verde I
5670
Verde II
5133
Azzurro
4982
Indaco
4668
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