Uno spettroscopio è uno strumento scientifico che suddivide la luce nelle sue diverse lunghezze d’onda, che gli esseri umani vedono come colori diversi. Il viola ha la lunghezza d’onda più corta che le persone possono vedere e il rosso la più lunga. Questo strumento può anche identificare lunghezze d’onda che gli esseri umani non possono vedere, come le radiazioni infrarosse e ultraviolette. La luce di solito contiene una miscela di diverse lunghezze d’onda; studiandoli, gli scienziati possono ricavare informazioni utili, come gli elementi chimici presenti alla fonte della luce. Gli spettroscopi sono ampiamente utilizzati in astronomia, chimica e altri settori.
Tipi di spettroscopio e come funzionano
Joseph von Fraunhofer, un ottico tedesco, inventò lo spettroscopio nel 1814. Nella sua prima forma, utilizzava una lente per focalizzare la luce in entrata e un prisma per dividere la luce per rifrazione. Successivamente, tuttavia, Fraunhofer sostituì il prisma con un dispositivo costituito da una serie di fessure parallele strette note come reticolo di diffrazione. Ciò distribuiva le diverse lunghezze d’onda della luce in quantità diverse e aveva il vantaggio di consentire all’osservatore di misurare effettivamente le lunghezze d’onda, cosa che non era possibile utilizzando un prisma. Fraunhofer ha usato i suoi spettroscopi per studiare la luce da una varietà di fonti, tra cui fiamme, materiali caldi e il Sole, i pianeti e le stelle.
Gli spettroscopi moderni sono disponibili in diversi tipi, a seconda del loro scopo. Un semplice dispositivo portatile utilizza un piccolo reticolo di diffrazione o prisma ed è facilmente trasportabile. È progettato per l’uso sul campo e può essere utilizzato per identificare pietre preziose e minerali, ad esempio. In astronomia, uno spettroscopio verrebbe normalmente utilizzato con un telescopio per analizzare la luce proveniente da oggetti deboli e distanti; questi strumenti tendono ad essere pesanti e ingombranti.
Ci sono altri strumenti che fanno lo stesso lavoro di uno spettroscopio e funzionano secondo lo stesso principio. Questi differiscono principalmente nel modo in cui viene registrato lo spettro. Uno spettrometro moderno produce un’immagine digitale dello spettro, mentre uno spettrofotometro la registra elettronicamente e uno spettrografo è un nome più generale per uno strumento che produce e registra uno spettro. Questi termini sono talvolta usati in modo intercambiabile e “spettroscopio” può descriverne uno qualsiasi.
Alcuni dispositivi possono produrre spettri per radiazioni elettromagnetiche con lunghezze d’onda oltre i limiti della luce visibile. Poiché questa radiazione non può essere osservata direttamente, gli spettri devono essere registrati da speciali rivelatori. Questi sono usati per studiare le radiazioni infrarosse e ultraviolette.
Uno spettroscopio a infrarossi può utilizzare un monocromatore regolabile per isolare a turno ciascuna lunghezza d’onda di interesse o, più comunemente, un interferometro. Questo divide la radiazione in entrata in due raggi. Uno specchio mobile varia la lunghezza di un raggio in modo che, quando vengono uniti, producano uno schema di interferenza. L’analisi del pattern rivela le diverse lunghezze d’onda presenti. Il metodo dell’interferometro ha il vantaggio di rilevare tutte le lunghezze d’onda in un unico passaggio.
Tipi di spettro
Le sostanze che emettono luce producono uno spettro di emissione. I solidi caldi e luminosi, come il metallo incandescente, emettono luce a tutte le lunghezze d’onda e producono uno spettro continuo, in cui i colori si fondono l’uno nell’altro. I gas molto caldi, d’altra parte, producono uno spettro a righe, che consiste in righe colorate su uno sfondo scuro. Questo perché emettono luce solo a determinate lunghezze d’onda, a seconda degli elementi chimici presenti.
Ogni elemento ha il suo modello di linee unico. Il sodio, ad esempio, produce linee forti nella parte gialla dello spettro. Questo può essere visto spruzzando sale (cloruro di sodio) in una fiamma, dandogli un caratteristico colore giallo.
Uno spettro di assorbimento viene prodotto quando la luce a particolari lunghezze d’onda viene assorbita da un gas o liquido attraverso il quale passa. Ogni elemento chimico assorbe solo determinate lunghezze d’onda specifiche, le stesse che emette come gas caldo, quindi gli spettri di assorbimento possono essere utilizzati anche per identificare gli elementi. Uno spettro di assorbimento è costituito da linee scure sullo sfondo chiaro di uno spettro continuo.
Il Sole produce uno spettro continuo con un numero di righe scure di assorbimento. Il processo di fusione nucleare al centro del Sole rilascia luce a molte lunghezze d’onda, ma alcune di queste vengono assorbite da vari elementi mentre la luce viaggia verso la superficie, producendo le linee scure. Gli scienziati sono stati in grado di determinare la composizione chimica del Sole in questo modo. L’elemento elio, che non era mai stato visto sulla Terra, è stato identificato per la prima volta dalle sue righe di assorbimento nello spettro del Sole.
Spettroscopia in astronomia
Gli astronomi usano gli spettroscopi per scoprire quali elementi sono presenti nelle stelle, nelle atmosfere dei pianeti e nello spazio interstellare. È stato scoperto che le stelle differiscono nella composizione e possono essere classificate in base ai loro spettri. Gli spettroscopi hanno permesso ai ricercatori di scoprire quali elementi sono presenti nelle atmosfere degli altri pianeti del sistema solare. Gli astronomi potrebbero essere in grado di analizzare le atmosfere degli esopianeti in orbita attorno ad altre stelle; se l’ossigeno fosse scoperto, questo sarebbe un forte indizio di vita.
L’esame della luce proveniente da altre galassie ha rivelato che, nella maggior parte dei casi, le righe spettrali degli elementi sono spostate verso la lunghezza d’onda maggiore, l’estremità rossa dello spettro, un fenomeno noto come redshift. Le galassie più lontane mostrano i maggiori spostamenti verso il rosso e la maggior parte degli astronomi crede che ciò sia dovuto al fatto che l’universo si sta espandendo. All’aumentare dello spazio tra due oggetti, la luce che viaggia tra di loro si allunga, determinando lunghezze d’onda maggiori.
Gli spettri di oggetti molto distanti, a miliardi di anni luce di distanza, vengono spostati oltre la gamma della luce visibile e nella regione dell’infrarosso. Per questo motivo, per analizzarli è necessario utilizzare la spettroscopia infrarossa. Le molecole producono radiazioni infrarosse a lunghezze d’onda caratteristiche quando vibrano o ruotano. Questo metodo può, quindi, essere utilizzato per identificare le molecole presenti nelle nubi di gas che galleggiano nello spazio interstellare. Gli astronomi hanno scoperto in questo modo acqua, metano e ammoniaca nelle nubi di gas.
Spettroscopia in Chimica
In chimica, gli spettroscopi possono identificare gli elementi presenti in un campione di materiale. Il riscaldamento forte del campione, come in una fiamma, lo trasforma in un gas caldo e incandescente che produce uno spettro di righe di emissione. I chimici possono quindi esaminarlo per identificare gli elementi. Questo metodo ha portato alla scoperta di molti degli elementi della tavola periodica. In alternativa, la spettroscopia può catturare lo spettro di assorbimento di un liquido quando viene attraversato da una luce.
I chimici possono utilizzare la spettroscopia per identificare composti chimici ed elementi. La spettroscopia a infrarossi è particolarmente utile in questo senso ed è spesso utilizzata in chimica organica, biochimica e chimica forense.