spettri, atomi e Halloween
Transcript
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]