spettri, atomi e Halloween

Spettri, atomi ed Halloween
Caro Professor Peruso,
leggendo qua e là scopro che fisici, chimici ed altri addetti alla scienza parlano di spettri atomici e
molecolari. Immagino che non si tratti di fantasmi o altre presenze oscure, anche se siamo vicini ad
Halloween. Mi dica però di cosa si tratta, sono proprio curiosa!
Franca Ferrini
E’ una domanda che mi piace molto, perché mi permette di parlare di un tema che davvero
sta a cuore di tutta la comunità scientifica, senza pressoché eccezioni. La cosiddetta “spettroscopia”
è, in senso generico, lo studio sistematico del comportamento che caratterizza oggetti piccolissimi
(come molecole, atomi, nuclei, particelle in varie forme di aggregazione) quando certe loro
proprietà vengono misurate. Ad esempio, si parla di spettroscopia di massa di un gas quando si
esplorano, con strumenti appropriati, i valori di diverse masse presenti in una mistura gassosa al
fine di caratterizzarne la composizione. Se, come spesso accade, si vuole stabilire il contenuto di
una data sostanza dal punto di vista del peso (massa) dei suoi costituenti, si opera “separando” o
“setacciando” un campione attraverso filtri appositi che permettono di misurare in quale percenutale
sono presenti vari tipi di molecole o atomi, ovviamente di massa diversa e dunque di nome distinto
(un po’ come i cercatori d’oro estraggono le pesanti pepite dalla sabbia).
Un tipico problema che si affronta in questo contesto è quello della “separazione isotopica”
di un dato elemento. I chimici ed i fisici sanno bene che la natura mette a disposizione, per ogni
elemento (idrogeno, azoto, ossigeno, ferro, ecc.) vari tipi di atomi, che differiscono non per le
proprietà chimiche ma per la massa. L’idrogeno si trova sotto forma di tre varietà, collettivamente
denominate “isotopi” che, più nello specifico, sono note con i nomi di idrogeno, deuterio e trizio.
Sono indistinguibili chimicamente dall’idrogeno, eppure diversi a causa del loro peso. Vengono
detti isotopi (che vuol dire “allo stesso posto”) perché sono collocati nella medesima casella della
tabella periodica degli elementi (proprio quella di Mendeleev, che è appesa più o meno in tutte le
aule e laboratori di scienze). Isotopi differenti hanno proprietà fisiche diverse e dunque può essere
importante riuscire a separarli. Ad esempio, in molte pratiche di diagnosi medica si usano “isotopi
radioattivi” di determinati elementi chimici, come lo iodio. Il fatto che siano radioattivi implica che,
grazie a tecniche speciali, riescono a “farsi vedere” quando essi vengono iniettati o deglutiti nel
nostro organismo. Questi isotopi permettono di visualizzare con maggiore dettaglio ed informazione
parti interne e meccanismi di funzionamento del corpo umano.
Ci sono altre situazioni nelle quali la spettroscopia è uno studio che si riferisce a proprietà
meno ovvie. In effetti, la spettroscopia degli atomi (e delle molecole) più famosa e diffusa ha
origine nel XIX secolo e comporta l’analisi della luce (visibile o meno) che un gas assorbe oppure
emette in varie condizioni sperimentali. Ad esempio, si sa bene che un’ampolla contenente un
determinato gas, quando viene percorsa da una scarica elettrica di opportuna intensità, emette
radiazione elettromagnetica (luce) di certi colori soltanto (i fisici parlano di “spettro a righe in
emissione”, che in realtà osserviamo banalmente nei tubi al neon delle insegne). Si vede altresì che
un gas investito da luce bianca (che è in realtà un miscuglio continuo di radiazione di vari colori,
cioè frequenze di vibrazione differenti) assorbe, cioè ferma qualcuna di queste vibrazioni e lascia
passare tutte le altre (i fisici parlano di “spettro a righe in assorbimento”). In pratica, più di un
secolo fa gli scienziati avevano iniziato una spettroscopia, ossia uno studio sistematico, delle
radiazioni luminose (sia visibili, che infrarosse ed ultraviolette) emesse ed assorbite dagli atomi
presenti in natura. Tutto ciò con uno scopo ben preciso: cercare di riuscire a spiegare la natura degli
atomi osservandone gli effetti da essi provocati in presenza di radiazione elettromagnetica. Sono
proprio queste luci ed ombre colorate che ispirano il termine di “spettro”. Il fatto piuttosto
sorprendente è che le idee di atomo a quei tempi non conducevano a nessuna spiegazione plausibile
dei fenomeni spettrali sopra descritti. La spettroscopia degli atomi di fine ottocento si rivelerà
ispiratrice feconda di nuove teorie destinate a rivoluzionare per sempre il modo di pensare e di
descrivere il mondo ultra microscopico in cui vivono gli atomi stessi. Ad esempio, e come già
accennato in un precedente numero di “Fatti di Scienza”, la presenza di righe colorate negli spettri è
dovuta ad un comportamento a dir poco bizzarro degli atomi. Essi sono composti da cariche
elettriche che “vivono” in stati o configurazioni caratterizzate da un certo ammontare di energia.
Quando gli atomi vengono investiti dalla radiazione elettromagnetica, le cariche elettriche possono
“cambiare stato”, ossia andare a vivere in configurazioni più energetiche sottraendo alla radiazione
un po’ di energia (che infatti serve per la
“promozione” energetica) secondo però un ammontare
ben preciso, discreto, “quantizzato”, come dicono gli
addetti ai lavori. E’ un po’ come quando ci disponiamo
a pagare alla cassa del supermercato con le nostre
monetine. Sappiamo bene che con la cassiera potremo
scambiarci quantità di denaro variabile ma sempre
definito al più entro un centesimo di euro. Gli scambi
di denaro, in questa procedura almeno, sono
“quantizzati”. Non è possibile dare alla cassiera quattro
euro e 386 millesimi di euro. Quattro euro e 39
centesimi va bene, ma i millesimi non esistono in
pratica! La natura “a monetine” dell’energia degli
atomi non è banale da accettare (la natura
macroscopica, quella che vediamo e percepiamo ogni
giorno, non si comporta certo in questo modo: è possibile immettere – apparentemente – un
ammontare arbitrariamente piccolo di energia in un pendolo spingendolo di pochissimo, e sempre
meno spingendolo ancora più debolmente). Un atomo non accetta un contributo di energia a meno
che esso non risulti “giusto” per promuovere l’atomo stesso ad uno stato più eccitato. La meraviglia
è che questo atomo “pimpante” prima o poi (comunque in tempi molto ma molto brevi) si stufa di
restare eccitato e torna allo stato iniziale di tranquillità. Lo fa, indovinate, restituendo l’energia che
era servita prima per eccitarlo. E’ un’energia anch’essa giusta ma proprio giusta, che si manifesta di
solito tramite l’emissione di un lampo minuscolo di luce con il colore anch’esso proprio giusto. Una
riga spettrale! Se questo modo di osservare gli atomi vi sembra bizzarro, tenetevi forte. Le
molecole, che sono aggregati di atomi di varia natura e legati in infinità di forme differenti, sono
anch’esse soggette a studi spettroscopici. Di nuovo, è possibile capire qualcosa (o molto) di come
sono fatti questi oggetti ossevandone la radiazione emessa ed assorbita. Nelle molecole, questi
fenomeni non avvengono solamente grazie alla promozione o impoverimento energetico delle
cariche elettriche presenti negli atomi. Si assiste a balletti e piroette degli atomi che costituiscono le
molecole secondo moti che i fisici chiamano più noiosamente vibrazioni e rotazioni. Comunque
vengano chiamati, anche questi sono “stati” o configurazioni di natura stranamente “quantizzata”.
Solo certi valori di energia sono accettati o rilasciati per mettere in agitazione le molecole,
innescandone le vibrazioni e rotazioni. Ed ancora una volta gli strumenti di misura rivelano “spettri
a righe” associati a tali movimenti. Ci sono apparati che, in modo quasi automatico, sono in grado
di leggere ed interpretare tutte le righe osservate in un spettro con una precisione talmente elevata
che la macchina è in grado di riconoscere il tipo di molecola in esame. Un po’ come dalle impronte
digitali si può risalire all’identità della persona sospetta. La spettroscopia si estende in varie
modalità anche ai nuclei degli atomi, ai cristalli, alle particelle subatomiche ed a tantissime altre
forme ed aggregati di materia. Insomma, chi ha mai detto che gli scienziati non credono ai
fantasmi?
[a cura di Stefano Oss]