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1. CosaèlaluceØ Modellocorpuscolareedondulatorio
2.CaratteristichedellaluceØ riflessioneØ rifrazioneØ diffrazioneØ interferenza
3.SpettroelettromagneticoØ caratteristicheonda
G.Apruzzese-A.Romano
Sommario
Checos’èlaluce?Apartiredal1600sonostatedateduerispostediverseaquestadomanda,dacuisisonosviluppatiduemodelli:• ilmodellocorpuscolare,propostodaIsaacNewton• ilmodelloondulatorio,sostenutodaChristiaanHuygens.
• Imodellisonoentrambivalidi,nelsensochedescrivonocaratteristichediversedellaluce.
Ø Laluceèun’ondaelettromagnetica:laperturbazioneècostituitadacampielettriciemagneticioscillantichesipropaganoanchenelvuoto.
Ø Incertesituazionilalucesicomportacomeun’onda,inaltrecomeuncorpuscolo(fotone).
Iraggidiluce• Diverse proprietà della luce (per esempio, la riflessione e la rifrazione)
possonoesseredescritte immaginandoche la lucesiacostituitadaraggi,similiaquelliemessidaunlaser.
• Questosemplicemodellodellapropagazionedellaluceècoerentesiacon
ilmodellocorpuscolare(iraggisonoletraiettoriedeicorpuscoli)siaconilmodelloondulatorio(iraggisonoladirezioneincuisipropagal’onda).
• Ilmodellodeiraggi,però,nonrendecontodimolteproprietàdella luce,comel’effettofotoelettricoeladiffrazione.
• Per descrivere questi fenomeni bisogna rappresentare la luce come uninsiemedicorpuscolioppurecomeun’onda.
Unraggioluminosoèunfasciodilucemoltosottile,cherappresentiamoconunaretta.
G.Apruzzese-A.Romano
Propagazionerettilineadellaluce• Mettiamouncorpoopacodavantiaunasorgenteluminosaeosserviamo
l’ombrachesidisegnasulloschermo.
Questiesperimentisuggerisconoche:iraggiluminosisipropaganoinlinearetta.
G.Apruzzese-A.Romano
Lariflessionedellaluce• Inviamo un sottile fascio di luce su una lamina di metallo piana e ben
levigata.Dallasuperficieemergeunraggioriflesso,anch’essosottileebendefinito.
Primalegge:ilraggioincidente,ilraggioriflessoelaperpendicolareallasuperficieriflettentenelpuntodiincidenzaappartengonoallostessopiano.Secondalegge:l’angolodiincidenzaèugualeall’angolodiriflessione.G.Apruzzese-A.Romano
Larifrazionedellaluce
• La rifrazione avviene ogni volta che unraggio attraversa la separazione tra duemezzi trasparenti nei quali la luce havelocitàdiverse.
G.Apruzzese-A.Romano
Ilprisma• La luce bianca che incide su un prisma triangolaremette in evidenza il
fenomenodelladispersionedellaluce.
Questoesperimentodicechelalucebiancaèlasovrapposizionedeidiversicoloridellospettro.
• Ladispersionedellaluceèdovutaalfattochel’indicedirifrazionediunasostanzatrasparentedipendedalcolore.
G.Apruzzese-A.Romano
Icolori• Per capire l’origine dei colori bisogna usare il modello ondulatorio,
secondo ilquale la luceèun’ondaelettromagneticaprodottadacaricheelettrichecheoscillano.
Ogniondae’caratterizzatadaunaparticolarefrequenzae,quindi,daunaparticolarelunghezzad’onda.
G.Apruzzese-A.Romano
Lospettroelettromagnetico• QuellochecomunementechiamiamoLuceVisibileèlamanifestazionedi
ciòchegliscienziatichiamanoRadiazioneElettromagnetica.• La luce visibile è infatti una piccola fettina di tutta la radiazione
elettromagnetica:quellacheinostriocchiriesconoapercepire.• Le diverse lunghezze d’onda della radiazione elettromagnetica
corrispondonoallediverseregionidellospettro.
G.Apruzzese-A.Romano
Ladiffrazione• Nell’esperienza quotidiana osserviamo che la luce disegna ombre nette.
Tuttavia,incondizioniparticolarilalucediffrange,cioèaggiragliostacolieinvadelazonad’ombra.
• Facciamopassareunfasciodiluceattraversounafenditura.
• Ladiffrazioneèun fenomeno tipicodelle onde, chenon si spiega con il
modello corpuscolare della luce. Infatti, questo modello prevede che icorpuscolidilucesipropaghinosempreinlinearetta.
Ø Sihadiffrazionequandolalucenonsipropagainlinearettaeinvadequellachedovrebbeessereunazonad’ombra.
Ø Ladiffrazioneèmoltomarcataquandolafenditurahadimensionisimiliaquelledellalunghezzad’onda.
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L’interferenza
G.Apruzzese-A.Romano
Sihainterferenzaquandodueondesommanoiloroeffetti:inalcunipuntisirinforzano(interferenzacostruttiva),inaltrisiannullano(interferenza
distruttiva).
L’interferenza• Nellefrangeluminosesihainterferenzacostruttiva:quandoarrivaun
massimodaunasorgente,arrivaunmassimoanchedall’altraeancheiminimiarrivanoinsieme.
• Nellefrangescuresihainterferenzadistruttiva:quandoarrivaunmassimodaunasorgente,dall’altraarrivaunminimo,inmodochelaperturbazioneèsempreugualeazero.
• Lafotosottomostralafigurad’interferenzadovutaalladoppiafenditura.
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• Sorgentidiluce• Atomoetransizioniatomiche• Spettrocontinuo• Spettroarighe• Spettroscopia• Spettroscopianeitokamak(cenni)
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SorgentidiluceSpettroscopia
Spettroscopianeiplasmi
Processidiemissionediluce• Radiazionetermica
• Accelerazionediunaparticelladotatadicarica• Emissionespettraleatomica• Chemiluminescenzaebioluminiscenza(molecoleinstatoeccitatoprodottedareazionichimiche)
• Fotoluminescenza(fluorescenza– fosforescenza)• Radioattivita’(decadimentogamma)• Reazioninucleari(p+dà3He+γ)• Annichilazionemateria–antimateria
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RadiazionetermicaRadiazioneemessadallasuperficiediunoggettodovutaallatemperatura.Laradiazionetermicasigeneraperilmovimentodelleparticellecaricheall’internodellamateria.Peruncorpoideale(corponero)valelaleggediPlanck.Lalunghezzad’ondacorrispondenteallamassimaintensitàdiradiazioneèdatadallaleggediWienλmaxT=costante=2898µmK
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L’atomo• Atomodalgrecoatomos-indivisibile• Strutturaincuie’organizzatalamateria• Costituitidalnucleo,protoni(+)eneutroni,edaelettroni(-)
• Glielettronisimuovonointornoalnucleoesitrovanoinregionispazialidetteorbitali
• L’orbitaleèquindilaporzionedispaziotridimensionaledispostaintornoalnucleo,all’internodellaqualeabbiamoun’altaprobabilita(piudel90%)ditrovarel’elettrone
• Ogniorbitaleècaratterizzatodaunadeterminatadimensione,formaeorientamentospaziale
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Transizioniatomiche:emissione• Unorbitaècaratterizzatadaun’energiaedunadistanzadalnucleo
• Leorbitedeglielettronisonoquantizzateovveroraggiedenergiepossonoassumeresolodeivalorispecifici(varianodaelementoaelemento)
• L’energiadiun’orbitaèanchel’energiadafornireperionizzarel’atomo:èperciodettaenergiadilegame
• L’orbitapiuinternaèlapiulegata
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Energiadeifotoni:ΔE=hυhcostantediPlanck6.626x10-34Js
Transizioniatomiche:assorbimento
Ilfotoneassorbitohaun’energiaparialladifferenzadelleenergiedeiduelivelli.Esempio
E(fotone)=E3-E2
Unelettronepuoeffettuareunatransizionedaun’orbitapiuinternaadunapiuesternaassorbendounfotone
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Sorgentidiluce:inparticolare…• Emissionediriga
Saltoquanticoelettroneall’internodiunatomo/ione.Ilsaltoquanticodell’elettroneavvieneperassorbimentodienergia(soprattuttodaurtitraparticelle)
Stato fondamentale
Stato eccitato
Stato di energia più bassa
Emissione di luce Collisione con
un elettrone
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Sorgentidiluce:inparticolare…• Fotoluminescenza(fluorescenzaefosforescenza)dovutaadeccitazionedegliatomiperassorbimentodiradiazione.
• Laluceincidente,soprattuttoultravioletta,vieneriemessanelrangedelvisibile.Laparteeccedentedienergiavienerilasciatasottoformadicalore.
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Sorgentidiluce• Radiazionetermica
– lampadeaincandescenza– lucesolare– fuoco
• Radiazionespettralediriga– laser– LED(LigthEmittingDiode)– lampadeascaricadigas– fiammedeigas– plasmi
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Spettrocontinuo
• Lalucedellalampadina,cosìcomelalucesolare,fornisceunospettrochecomprendetuttiicoloridell’irideechesichiama“spettrocontinuo”
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SpettrocontinuonondipendedallaStrutturaatomicadelmateriale
Spettrodiemissione/assorbimentospettroarighedovutoallastrutturaatomicadelmateriale
• Spettrodiassorbimento:siosservaquandovienepostouncorpo(adesempioungas)tralasorgentediluceeilrivelatore.
• Lasorgentedevefornireunospettrocontinuo,perchédeveconteneretuttelefrequenzediuncertointervallo
• Lamaggiorpartedellaradiazioneattraversailgas;tuttaviaalcunefrequenzeparticolarivengonoassorbiteenonpassano.Sitrattapropriodiquellestesselunghezzed’ondachelostessotipodigasemetterebbenelsuospettrodiemissione.
Spettridiemissioneedassorbimento
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Spettroscopia• Spettroscopia: studio delle interazioni tra materia e radiazione
elettromagnetica• E’ nata dallo studio della dispersione della luce visibile attraverso un
prismainbaseallasualunghezzad'onda• Successivamente, ilconcettosiènotevolmenteampliatofinoa includere
qualsiasiinterazioneconl'energiaradiativainfunzionedellasualunghezzad'onda(ofrequenza)
• Idatispettroscopicivengonospessorappresentatisottoformadispettro– diagramma della risposta di interesse in funzione della lunghezza
d'ondaodellafrequenzaØ Spectrum(latino):fantasmaØ Skopos(greco):osservatoreØ Spettroscopista=osservatoredifantasmi
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Spettroscopia:attivaepassivasuiTokamak
Spettroscopiapassiva:osservazioneradiazioneemessadalplasma
Spettroscopiaattiva:osservazioneradiazione“stimolata”delplasmadasorgentiesterne(laser,
fasciodiparticelle)
plasmaluce
rivelatore
plasma luce rivelatore
SorgenteesternaG.Apruzzese-A.Romano
SpettroscopiapassivasuiTokamak
Radiazionediriga:radiazioneemessadaunatomo/ionequandounelettronecompieunatransizionedaunlivelloenergeticodiscretosuperioreadunlivelloenergeticoinferiore.Lecollisionitraparticellesonoresponsabilidelsaltoenergeticodeglielettroni(eccitazionecollisionale).Informazionichesipossonoestrarredall’analisidellospettro:• Impurezzepresentinelplasma,inquinamentodelplasma(DeuterioeIdrogeno)• flussoeconcentrazionediimpurezze• temperaturaedensita’elettronicadelplasma
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Misure spettroscopiche: misura della radiazione emessa dagli atomi / ioni presenti nel plasma : working gas ( H o D ) e impurezze (e.g.: boro, litio, ossigeno, carbonio, metalli) Scopo:
ü indicazioni sul tipo e la concentrazione delle impurezze presenti nel plasma
ü indicazioni sulle condizioni del plasma e sulle possibilità operative della macchina
DiagnosticadispettroscopiavisibileeVUVsuFTU
Schema spettrometro nel range del visibile
sorgente
reticolo
rivelatore
specchi
Plasma dominato dal Litio (Li)
Esempiodiradiazionemisuratadallospettrometronelvisibile
Stato fondamentale
Stato eccitato
Stato di energia più bassa
Emissione di luce Collisione
con un elettrone
Schemadiemissionedellaradiazionediriga
G.Apruzzese-A.Romano
Radiazioneemessadaiplasmi
CONTINUA:Bremsstrahlung(frenamento)Radiazioneemessadaparticellecaricheperaccelerazione/decelerazione.Tipicamentee’unaradiazioneemessadaelettroniacceleratidaioni.PiuingeneralelaBremsstrahlungincludelaradiazionediciclotrone:radiazioneemessadaparticellecaricheinmovimentoinuncampomagnetico.RADIAZIONEDIRIGA:radiazioneemessadaunatomo/ionequandounelettronecompieunatransizionedaunlivelloenergeticodiscretoadunlivelloenergeticoinferiore.Collisionitraparticelleresponsabilidelsaltoenergeticodeglielettroni.
Radiazioneemessadaparticelleinmovimentoinpresenzadiuncampoelettricoemagnetico.Effettiosservati:• Dopplerdovutoamovimentodelleparticelle(sorgentidiluce)
• Starkdovutoalcampoelettrico• Zeemandovutoalcampomagnetico
CaratteristicheRadiazioneemessadaiplasmineiTokamak
Effetti causa Effettisullerighespettrali
Doppler Sorgente(particelle)inmovimento
Spostamentospettraleeallargamentorighe
Stark Campoelettrico Splittingeallargamentorighe
Zeeman Campomagnetico SplittingeallargamentorigheG.Apruzzese-A.Romano
• Sistemiottici(raccoltadellaluce)• Fibraottica(trasmissioneluce)• Spettrometro(scomposizionedellaluce)
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MisuradiunospettrodilucevisibileStrumentielorofunzionamento
Raccoltadellaluce
• Le lenticonvergenti (piùspessealcentrocheaibordi) fannoconvergere in un punto F (fuoco) un fascio di raggi paralleliall’asseottico
• Unraggiodilucechecolpisceunalentesubisceduerifrazioni:
• laprimapassandodall’ariaalvetro
• lasecondaritornandodalvetroall’aria
• Lentisottili:hannounospessorepiccolorispettoairaggidellesuperficisferichecheledelimitano
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Trasmissionedellaluce
Lalucepuo’esseretrasmessaattraversounafibraotticaØ Lefibreottiche,chesonofilisottilididiametroancheminoredi1mm,
funzionanodaguidediluceØ IllorofunzionamentosibasasulfenomenodellariflessionetotaleØ Lalucechevipenetrasirifletteall’internodellafibramoltissimevolte,finoa
uscireall’altraestremità
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Fenomenodellariflessionetotale:Ø unraggiodilucepassadaunmezzoconindicedirifrazionemaggioreaunoconindicedirifrazioneminore
Spettrometro
• Spettrometro:consentedimisurare lospettro,cioe’dimisurare le
proprieta’dellaluceinfunzionedellasualunghezzad’onda• Specchioottico• Elementodisperdente• Rivelatore
– Lospettroèladistribuzionedienergiairraggiataallevarielunghezzed’onda
– L’analisispettralefornisceinformazionisullacomposizionechimica
• Sono normalmente suddivisi a seconda del loro potere dirisoluzione e della sezione delle spettro luminoso che possonomisurare(visibile,UV,raggi-X,microonde,ecc.).
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Funzionamentospettrometro
• Sonobasatisulfarincidereilfasciopolicromaticosuunoggetto(unreticolo)ingradodi deviare le diverse radiazioni condiversi angoli: la radiazioneuscentesaraquellachepassaattraversolafendituradiuscita
• I reticoli svolgono la stessa funzione del prisma, ma il loro funzionamento è
basatosulladiffrazioneeinterferenza.• Unreticolodidiffrazioneconsisteinunalastrasucuisonopraticatenumerose
incisioniparalleleequispaziate,moltovicinefraloroedinvisibiliadocchionudo,finoa40000percentimetro(cioe’4000inunsolommdilarghezza).
• Leincisionisicomportanocomesorgenticoerenti
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Spettrometro
RivelatoreCCD
Specchiocollimatore
Specchiofocalizzatore
Reticolodidiffrazione
elementodisperdentecheseparalevariecomponentidellaradiazioneenepermettelasuccessivaselezionedellabandadesiderata
Reticolodidiffrazione• Consideriamounoschermomoltolontanodalreticolo,inmodocheiraggiche
interferisconoinunpuntodelloschermosianopraticamenteparallelifraloro• Perraggiungereilpuntoincuisiformalafrangiaprincipale(primoordine),laluce
dallafenditura2percorreunadistanzadiunalunghezzad’ondamaggiorediquellapercorsadallaluceprovenientedallafessura1.
• Ladifferenzadicamminotrairaggiprovenientidaduefenditurevicineèpariaunalunghezzad’onda
λ=dsenθ
• dèladistanzatralefenditure
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• Ilpotererisolventediundispositivootticoèlacapacitadiprodurreimmaginiseparatedioggettivicinitraloro.
• Perstabilireseduerighepossonoessereconsiderateseparate,equindiseleduerigheappaionodistinte,siapplicailcriteriodiRayleigh,dovutoalfisicoingleseJohnWilliamRayleigh(1842-1919),notocomeLordRayleigh.– Ilmassimoprincipalediunarigadevecoincidereconilprimominimo
dell’altrariga.
Ilpotererisolvente
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RivelatoreCCDDispositiviadaccoppiamentodicarica(dall’ingleseChargeCoupledDevice)
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• Matricedielementifotosensibilichesottoirraggiamentoproduconocaricheelettriche(elettronigeneratipereffettofotoelettrico)
• Lecaricheelettrichegenerateinunintervalloditempo,chiamatotempodiesposizione,vengonodapprimaraccolteepoitrasformateinsegnaleelettrico.
• Ilsegnaleelettricovienetrasformatoinconteggi(segnaledigitale).
• Ilsensoreècompostodamilionidipixel• Piùgrandeè ilpixelpiùgrandeè laquantita’di lucechecattura,quindi conun
rumoreminore
Set-updimisurasperimentale
Sorgentediluce
Lente/Sistemaottico
Fibraottica
Spettrometro
PC
Cavo
Alimentatoresorgente
• Lampadaadincandescenza• LED(lucetorciacellulare)• Laserpuntatore• Sistemaotticoconfiltrointerferenziale• Alimentatoretubispettrali• Tubispettrali(Idrogeno,Ossigeno,Azoto,Neon,Argon,Aria)• Fibraottica• SpettrometroHR2000• PC(coninstallatoilprogrammasoftwareSpectraSuite)
MaterialeaDisposizioneinLaboratorio
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Esperienzedilaboratorio• Misuradellospettrodidiversesorgentidiluce
– lucesolareoluceambiente– lampadaincandescente– LED(es.torciacellulare)– laserpuntatore
• Individuazioneintervallodiemissioneecaratteristichediognispettroacquisito
• AnalisidellospettrosorgenteLEDeindividuazionedellalunghezzad’ondacorrispondentealmassimodell’intensitàdellospettro.
• Misuradellospettrodiunalampadaincadenscentecon/senzafiltrointerferenziale(sistemaottico)
• Confrontarecaratteristichespettroacquisitosenza/confiltro
Esperienzedilaboratorio
• Misuradellospettrodiunasorgente(lampadaspettraleH):– aumentare la distanza fibra ottica-sorgente per osservare minimo
segnalerivelabile– diminuire la distanza fibraottica/lenteperosservare saturazionedel
segnale
• Misura dello spettro in emissione di un tubo spettrale (Ne,Ar,N,O,H,aria)
• Identificazione per ogni spettro della posizione delle righecaratteristichedell’elemento
• Analisisovrapposizionerighespettrali(soloperspettroN)
Ø NOTA: prima acquisire uno spettro scuro con sorgente spenta, dasottrarrepoiallospettroacquisitoconsorgenteaccesa
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SpettrometroHR2000+OceanOptics
Sensorelineare• Numerodipixels:2048pixels• Dimensionepixel:14μm×200μmReticolo• 300g/mm• Intervallolunghezzed’onda:190–1100nm• Tempodiintegrazione:1ms–65secondi
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Alimentatore
• L'alimentatoreconsenteun'illuminazionecontinuaecostante
• Unsupportoconcontattoamollapermetteilposizionamentoeilcollegamentosicurideitubispettrali
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Tubispettralidisponibili• Idrogeno-H• Argon-Ar• Elio–He• Azoto–N• Ossigeno–O• Aria
§ Tubispettraliaelevataluminanzaperl’emissione dello spettro lineare o abandediungas
§ Tubi spettraliparzialmentesvuotatieriempiticongasinformacapillareconelettrodi metallici a cui si applica ilcampoelettrico
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Lampadaascarica
• Lalampadaascaricaèuntipodilampadinabasatasull’emissioneluminosaperluminescenzadapartediungasionizzato
• Laionizzazionedelgasèottenutapermezzodiunadifferenzadipotenziale,chefamigrareglielettroniliberieionipositiviaidiversicapidellalampada(dovesonopresentiglielettrodi)
• Laluminescenzaèunprocessodiemissionediradiazioneaseguitodiassorbimentodienergia
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Filtrointerferenziale
• Filtro,usatoinottica,perselezionarelucequasimonocromatica
• Filtrimoltoselettiviinfrequenzaolunghezzad’onda
Lucebianca
FILTRO
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Spettrosolare
• Sitrattadiunospettrocontinuo,emessadallafotosfera(stratosottiledacuihaoriginelaradiazione).
• Laradiazioneprovenientedallafotosferaattraversalasovrastantecromosfera(sottilestratodell’atmosferadelsole,2000Km)
• Nell’attraversamentodell’atmosferaterrestreunafrazionedeiraggisolarivieneassorbita,dandooriginenellospettroanumeroserighediassorbimento.
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LampadaafluorescenzaLampadafluorescenteèunalampadaascaricaincuil’emissioneluminosaèindiretta,perche’l’emittentenonèilgasionizzatomaunmaterialefluorescente.Lelampadefluorescenticontengonomercurioedungasnobiletipoargonadunapressionedi2-3mmdiHg.All’estremitadeltubodueelettrodi,cheattraversatidaenergiaelettrica,emettonoelettroni(effettotermoionico)Glielettronicosiliberaticollidonocongliatomidellargoneloeccitanoeionizzano.Ilmercurioeccitatodallargonemettenell’ultravioletto253.7nmGliultraviolettiemessidagliatomidiHg(HgI)vengonoconvertitiinlucevisibileperfluorescenzadalleparetidelcontenitorechesonorivestitedapolverifluorescenti.Lalucevisibile,avendoun’energiainferioreaquellaultravioletta,trasportasolounapartedell’energiacedutadallaradiazioneultravioletta,larestantesitrasformaincalore,riscaldandoiltubo.
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LampadaspettraleGlispettriatomicisonoprodotticreandounarcotraglielettrodi.Lelampadespettralisonostabiliconrighemoltointenseepurezzaspettrale.Itubispettralisonocostituitidacapillari,contensionedialimentazionedi3-5KVoltsInostrihannounalimentatoreda5000Voltse10mA.Potenzada50Watt.Bassapressioneall’internodeitubi
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