spettroscopia

spettroscopia

Disciplina che ha per oggetto lo studio degli spettri delle radiazioni elettromagnetiche e corpuscolari, cioè del modo in cui l’intensità della radiazione varia in funzione dell’energia (o della frequenza o della lunghezza d’onda). In relazione alla natura delle radiazioni, si parla di spettroscopia ottica o nel visibile, di spettroscopia X, di spettroscopia neutronica e così via. Per estensione, si parla anche di spettroscopia elastica, e in particolare di spettroscopia acustica, se si ha a che fare con onde elastiche e in particolare con onde sonore. Le spettroscopie più comuni sono quelle che operano nel campo delle radiazioni elettromagnetiche (dalle radioonde ai raggi X), che interessano cioè l’insieme delle radiazioni la cui emissione e il cui assorbimento dipendono da proprietà atomiche e molecolari, e costituiscono uno dei capitoli più importanti della fisica atomica e molecolare, in cui con mezzi sperimentali relativamente semplici si riesce a penetrare nell’intima struttura della materia. In base al processo fisico di interazione tra radiazione e materia dal quale ha origine la radiazione analizzata, si distingue tra (a) la spettroscopia di emissione, che si occupa degli spettri ottenuti analizzando la radiazione emessa da una sostanza eccitata (mediante un’altra radiazione o termicamente o in altro modo); (b) la spettroscopia di assorbimento, che studia gli spettri ottenuti facendo passare un fascio di radiazioni note attraverso una sostanza; (c) la spettroscopia di diffusione (o scattering), nella quale il campione viene illuminato con una radiazione di data frequenza e viene misurata la radiazione diffusa in opportune direzioni sia alla stessa frequenza (diffusione Rayleigh) sia a frequenze diverse (diffusione Raman), ecc. A seconda della natura della sostanza studiata, invece, la spettroscopia può essere suddivisa in atomica, molecolare, nucleare, che studiano gli spettri originati da transizioni aventi luogo rispettivamente tra livelli energetici atomici, molecolari, nucleari; per estensione, si parla anche di spettroscopia adronica (o subnucleare) per indicare lo studio degli spettri di massa delle particelle (adroni) che danno luogo a interazioni forti. Poiché lo spettro di emissione e di assorbimento di una sostanza è strettamente collegato alla struttura caratteristica dei suoi livelli energetici quantizzati, i dati spettroscopici hanno costituito la base sperimentale della fisica atomica e molecolare e hanno contribuito alla nascita della fisica quantistica. A partire da ca. la metà del XIX sec., l’accertamento che ogni sostanza ha un suo caratteristico spettro d’emissione e d’assorbimento diede vita all’analisi spettroscopica, che divenne ben presto uno dei più efficaci strumenti di indagine chimica e fisica. L’interpretazione degli spettri atomici, per es., è immediata in termini di livelli energetici e di transizioni tra di essi: a ciascun atomo è associato un insieme discreto di stati stazionari con ben determinati valori dell’energia o livelli energetici; l’emissione o l’assorbimento della radiazione di una determinata frequenza (riga spettrale) è dovuto alla transizione tra due stati stazionari causata dalla perturbazione dovuta all’interazione col campo elettromagnetico. Se si associano alla radiazione di frequenza ν fotoni di energia hν (con h costante di Planck), alla transizione tra due stati stazionari ai quali rispettivamente compete l’energia E_i ed E_f è associata l’emissione o l’assorbimento di un fotone, di modo che E_f−E_i=hν e quindi ν=c/λ=(E_f−E_i)/h. Pertanto a ogni termine spettrale corrisponde una coppia di livelli energetici; non è vero il contrario, a causa delle regole di selezione che regolano la probabilità (eventualmente nulla) che possa avere luogo una transizione tra due particolari livelli. In modo analogo, nella spettroscopia molecolare si studiano le transizioni (in emissione o in assorbimento) tra i livelli energetici delle molecole. A seconda dell’energia della radiazione, i livelli coinvolti sono quelli relativi al moto rotazionale (microonde) o vibrazionale (infrarosso) dei nuclei, oppure quelli relativi all’energia degli elettroni più vicini al nucleo (raggi X) o più esterni (visibile, ultravioletto). Per es., nella spettroscopia, molecolare di assorbimento l’intensità della radiazione rilevata in uscita dal campione (radiazione trasmessa) risulta più o meno attenuata rispetto a quella della radiazione incidente, in corrispondenza di determinati intervalli di frequenza corrispondenti, attraverso l’espressione sopra riportata, alla differenza di energia tra due livelli della molecola.

→ Fotochimica