03.04.2013 Views

Tecniche ottiche di analisi Sollecitando la materia con radiazioni di ...

Tecniche ottiche di analisi Sollecitando la materia con radiazioni di ...

Tecniche ottiche di analisi Sollecitando la materia con radiazioni di ...

SHOW MORE
SHOW LESS

You also want an ePaper? Increase the reach of your titles

YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.

SERATE CHIMICHE - <strong>Tecniche</strong> <strong>ottiche</strong> <strong>di</strong> <strong>analisi</strong> - www.seratechimiche.altervista.org<br />

<strong>Tecniche</strong> <strong>ottiche</strong> <strong>di</strong> <strong>analisi</strong><br />

<strong>Sollecitando</strong> <strong>la</strong> <strong>materia</strong> <strong>con</strong> ra<strong>di</strong>azioni <strong>di</strong> opportuna energia si ottengono risposte strumentali,<br />

più o meno complesse, che possono essere sfruttate per l'<strong>analisi</strong> dei campioni. Le tecniche<br />

<strong>ottiche</strong> <strong>di</strong> <strong>analisi</strong> si basano su <strong>di</strong>versi fenomeni fisici.<br />

Riflessione<br />

Quando una ra<strong>di</strong>azione elettromagnetica colpisce una superficie <strong>di</strong> un mezzo non trasparente,<br />

questa viene respinta, producendo una riflessione.<br />

Esistono però due tipi <strong>di</strong> riflessione:<br />

– riflessione specu<strong>la</strong>re (o rego<strong>la</strong>re) , se <strong>la</strong> superficie è perfettamente liscia e non presenta<br />

nessuna scabrosità; il raggio riflesso ha un angolo pari a quello incidente e produce una<br />

riflessione specu<strong>la</strong>re rispetto al<strong>la</strong> ra<strong>di</strong>azione incidente.<br />

– Riflessione <strong>di</strong>ffusa,<br />

se <strong>la</strong> superficie presenta delle scabrosità superiori o dello stesso<br />

or<strong>di</strong>ne <strong>di</strong> grandezza del<strong>la</strong> ra<strong>di</strong>azione incidente; in questo caso <strong>la</strong> ra<strong>di</strong>azione e. m. viene<br />

catturata e ceduta imme<strong>di</strong>atamente all'ambiente da queste porosità ( assorbimento), ed in<br />

parte riflessa in maniera casuale e non uniforme verso tutte le <strong>di</strong>rezioni, dando luogo ad<br />

una luce <strong>di</strong>ffusa.<br />

Nel<strong>la</strong> riflessione <strong>la</strong> lunghezza d'onda (e <strong>la</strong> frequenza) dell'onda riflessa è identica a<br />

quel<strong>la</strong> dell'onda incidente.<br />

La spettroscopia <strong>di</strong> riflettanza è una tecnica analitica che si basa sul fenomeno del<strong>la</strong><br />

riflessione <strong>di</strong>ffusa e misura il rapporto percentuale fra l'intensità del<strong>la</strong> ra<strong>di</strong>azione riflessa e<br />

<strong>di</strong>ffusa ( I ) e quel<strong>la</strong> del<strong>la</strong> ra<strong>di</strong>azione incidente ( I 0); questo rapporto è detto riflettanza ( R% ) :<br />

R% = (I/I0) · 100<br />

La tecnica in questione ha numerose applicazione ma viene usata principalmente per valutare il<br />

grado <strong>di</strong> bril<strong>la</strong>ntezza <strong>di</strong> una superficie, uno degli strumenti che si basa questo principio è il<br />

Glossmetro.<br />

a) Riflessione specu<strong>la</strong>re del<strong>la</strong> luce su una superficie liscia ideale; b) Distribuzione del<strong>la</strong> maggior parte del<strong>la</strong> luce riflessa da parte <strong>di</strong><br />

una superficie lucida reale; c) Riflessione <strong>di</strong>ffusa; d) Distribuzione del<strong>la</strong> massima parte del<strong>la</strong> luce riflessa e <strong>di</strong>ffusa da parte <strong>di</strong> una<br />

superficie opaca.<br />

seratechimiche@altervista.org Alessandro Trifirò Pag. 1 <strong>di</strong> 10


SERATE CHIMICHE - <strong>Tecniche</strong> <strong>ottiche</strong> <strong>di</strong> <strong>analisi</strong> - www.seratechimiche.altervista.org<br />

Rifrazione<br />

Quando una ra<strong>di</strong>azione elettromagnetica passa tra due mezzi trasparenti <strong>di</strong>fferenti aventi due<br />

densità <strong>di</strong>verse, avviene il fenomeno del<strong>la</strong> rifrazione.<br />

Nel<strong>la</strong> rifrazione il raggio incidente si<br />

spezza in due: un raggio riflesso e un raggio rifratto. Il raggio rifratto che si propaga nel<br />

se<strong>con</strong>do mezzo, ha un angolo <strong>di</strong>verso rispetto all'angolo del raggio incidente, producendo così<br />

una deviazione. Una ra<strong>di</strong>azione e. m. passando da un mezzo meno denso (es. aria) ad uno più<br />

denso (es. acqua) produce una deviazione del raggio rifratto <strong>con</strong> un angolo minore rispetto a<br />

quello del<strong>la</strong> ra<strong>di</strong>azione incidente, viceversa, l'angolo del raggio rifratto aumenterà se si passa<br />

da un mezzo più denso (es. acqua) ad uno meno denso (es. aria). In quest'ultimo caso, esiste<br />

anche il cosiddetto angolo limite,<br />

oltre il quale il raggio non attraversa più <strong>la</strong> superficie <strong>di</strong><br />

separazione fra i due mezzi, ma viene totalmente riflesso, si par<strong>la</strong> quin<strong>di</strong> <strong>di</strong> riflessione totale.<br />

Se <strong>la</strong> superficie <strong>di</strong> separazione fra i due mezzi è sufficientemente liscia (es. aria e acqua in<br />

<strong>con</strong><strong>di</strong>zioni <strong>di</strong> riposo, o nel caso <strong>di</strong> un vetro ben levigato) si ha <strong>la</strong> cosiddetta rifrazione<br />

rego<strong>la</strong>re,<br />

in cui raggio incidente e raggio rifratto giacciono sullo stesso piano.<br />

La deviazione del raggio rifratto è dovuta al fatto che le onde si propagano in mezzi<br />

<strong>di</strong>versi <strong>con</strong> una <strong>di</strong>versa velocità.<br />

Per <strong>la</strong> re<strong>la</strong>zione che intercorre tra frequenza e<br />

velocità ( λ = v / υ ) , anche <strong>la</strong> lunghezza d'onda del raggio incidente rispetto a quel<strong>la</strong><br />

del raggio rifratto sarà <strong>di</strong>fferente.<br />

Per ogni mezzo (acqua, aria, vetro, ecc.) si definisce un in<strong>di</strong>ce <strong>di</strong> rifrazione assoluto ( n ), riferito<br />

al vuoto:<br />

dove:<br />

c è <strong>la</strong> velocità del<strong>la</strong> luce nel vuoto;<br />

v <strong>la</strong> velocità del<strong>la</strong> luce nel mezzo <strong>con</strong>siderato.<br />

n = c/v<br />

La rifrattrometria è una tecnica <strong>di</strong> <strong>analisi</strong> basata sul<strong>la</strong> determinazione dell'in<strong>di</strong>ce <strong>di</strong> rifrazione,<br />

usata principalmente per stabilire il grado zuccherino dei succhi <strong>di</strong> frutta, o per il <strong>con</strong>trollo <strong>di</strong><br />

alcune reazioni chimiche, come nel caso dei processi <strong>di</strong> polimerizzazione.<br />

a) Quando un raggio <strong>di</strong> luce passa da un mezzo <strong>di</strong>verso più rifrangente (n2 > n1), il raggio rifratto piega verso <strong>la</strong> normale al<strong>la</strong> superficie <strong>di</strong> separazione; in altri<br />

termini i > r. b) Se viceversa il raggio passa dal mezzo più rifrangente a quello meno rifrangente esiste un angolo limite (i0, in figura) oltre il quale il raggio<br />

non attraversa più <strong>la</strong> superficie <strong>di</strong> separazione fra i due mezzi, ma viene totalmente riflesso (come il raggio R3, in figura). In corrispondenza dell'angolo limite,<br />

l'angolo <strong>di</strong> rifrazione è un angolo retto ed il raggio rifratto (R2) corre radente <strong>la</strong> superficie <strong>di</strong> separazione fra i due mezzi; c) Dispersione del<strong>la</strong> luce bianca da<br />

parte <strong>di</strong> un prima ottico.<br />

Diffusione<br />

seratechimiche@altervista.org Alessandro Trifirò Pag. 2 <strong>di</strong> 10


SERATE CHIMICHE - <strong>Tecniche</strong> <strong>ottiche</strong> <strong>di</strong> <strong>analisi</strong> - www.seratechimiche.altervista.org<br />

Diffusione<br />

La <strong>di</strong>ffusione (o scattering)<br />

<strong>con</strong>siste nel<strong>la</strong> riemissione in molte <strong>di</strong>mensioni,<br />

generalmente non<br />

casuali, <strong>di</strong> una ra<strong>di</strong>azione incidente su un sistema (solido, liquido, gassoso) costituito da<br />

particelle più o meno <strong>di</strong>sperse e <strong>di</strong> grandezza variabile.<br />

In base al<strong>la</strong> <strong>di</strong>mensione <strong>di</strong> queste particelle si hanno <strong>di</strong>versi tipi <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione:<br />

– Diffusione <strong>di</strong> Rayleight,<br />

si verifica quando <strong>la</strong> ra<strong>di</strong>azione attraversa un mezzo trasparente<br />

dove in<strong>con</strong>tra particelle il cui <strong>di</strong>ametro è meno <strong>di</strong> 1/10 del<strong>la</strong> propria lunghezza d'onda; <strong>la</strong><br />

luce <strong>di</strong>ffusa ha <strong>la</strong> stessa lunghezza d'onda <strong>di</strong> quel<strong>la</strong> incidente. L'intensità del<strong>la</strong> luce <strong>di</strong>ffusa è<br />

<strong>di</strong>rettamente proporzionale al<strong>la</strong> quarta potenza del<strong>la</strong> frequenza del<strong>la</strong> luce incidente, perciò<br />

le ra<strong>di</strong>azioni <strong>con</strong> minor lunghezza d'onda vengono <strong>di</strong>ffuse maggiormente. La <strong>di</strong>stribuzione<br />

ango<strong>la</strong>re delle ra<strong>di</strong>azioni, nello spazio intorno a ogni particel<strong>la</strong> non è uniforme e <strong>di</strong>pende<br />

sensibilmente dall'angolo <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione.<br />

– Diffusione <strong>di</strong> Mie,<br />

si verifica <strong>con</strong> particelle <strong>di</strong> <strong>di</strong>ametro re<strong>la</strong>tivamente grande (maggiore <strong>di</strong><br />

1/10) rispetto al<strong>la</strong> lunghezza d'onda del<strong>la</strong> ra<strong>di</strong>azione incidente. La <strong>di</strong>stribuzione ango<strong>la</strong>re<br />

del<strong>la</strong> luce <strong>di</strong>ffusa <strong>di</strong>pende <strong>di</strong>pende dall'angolo <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione ancora <strong>di</strong> più che nel caso del<strong>la</strong><br />

<strong>di</strong>ffusione <strong>di</strong> Rayleight. L'intensità <strong>di</strong>pende dal<strong>la</strong> lunghezza d'onda <strong>con</strong> una potenza minore,<br />

ma nel caso dei sistemi colloidali l'intensità è in<strong>di</strong>pendente dal<strong>la</strong> lunghezza d'onda e <strong>la</strong> luce<br />

<strong>di</strong>ffusa appare bianca.<br />

– Effetto (o <strong>di</strong>ffusione)<br />

Tyndell,<br />

si verifica in presenza <strong>di</strong> sistemi colloidali, le cui particelle<br />

hanno un <strong>di</strong>ametro <strong>con</strong>frontabile <strong>con</strong> <strong>la</strong> lunghezza d'onda del<strong>la</strong> luce visibile, in questo caso<br />

<strong>la</strong> luce <strong>di</strong>ffusa viene detta luce <strong>di</strong> opalescenza.<br />

L'intensità del<strong>la</strong> luce <strong>di</strong>ffusa è<br />

proporzionale al<strong>la</strong> se<strong>con</strong>da potenza del<strong>la</strong> frequenza del<strong>la</strong> luce incidente.<br />

a) Diffusione <strong>di</strong> Rayleight; le particelle hanno un <strong>di</strong>ametro minore <strong>di</strong> 1/10 del<strong>la</strong> lunghezza d'onda del<strong>la</strong> luce incidente. b) Diffusione <strong>di</strong> Mie; il <strong>di</strong>ametro delle<br />

particelle è maggiore <strong>di</strong> 1/10 del<strong>la</strong> lunghezza d'onda del<strong>la</strong> luce incidente. c) Effeto Tyndall; le particelle hanno <strong>di</strong>ametri dello stesso or<strong>di</strong>ne <strong>di</strong> grandezza del<strong>la</strong><br />

lunghezza d'onda.<br />

Questi fenomeni <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione sono al<strong>la</strong> base <strong>di</strong> due tecniche analitiche:<br />

– <strong>la</strong> torbimetria, <strong>con</strong> cui si misura <strong>la</strong> luce retro<strong>di</strong>ffusa verso <strong>la</strong> sorgente (back scattering),<br />

oppure <strong>la</strong> luce <strong>di</strong>ffusa davanti al campione, lungo <strong>la</strong> <strong>di</strong>rezione del<strong>la</strong> luce incidente (<strong>di</strong>rect<br />

scattering) o, in fine, davanti al campione, me se<strong>con</strong>do una picco<strong>la</strong> ango<strong>la</strong>zione (foward<br />

scattering);<br />

– <strong>la</strong> nefelometria, <strong>con</strong> cui <strong>la</strong> misura <strong>la</strong> luce <strong>di</strong>ffusa a 90° rispetto al<strong>la</strong> <strong>di</strong>rezione del<strong>la</strong> luce<br />

incidente (side scattering).<br />

Le applicazioni <strong>di</strong> queste tecniche riguardano il campo dell'inquinamento (soli<strong>di</strong> e oli sospesi<br />

nelle acque; soli<strong>di</strong> e liqui<strong>di</strong> sospesi nell'aria) e in generale le specie chimiche che danno origine<br />

a precipitati. L'effetto Tyndall viene sfruttato per determinare <strong>la</strong> massa mo<strong>la</strong>re <strong>di</strong><br />

macromolecole.<br />

Esiste un ulteriore forma <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione, detta <strong>di</strong>ffusione Raman,<br />

e si verifica quando viene<br />

<strong>di</strong>ffusa solo una piccolissima frazione del<strong>la</strong> luce che incide su un mezzo trasparente; <strong>la</strong> luce<br />

<strong>di</strong>ffusa ha frequenze <strong>di</strong> poco <strong>di</strong>verse (minori oppure maggiori) rispetto al<strong>la</strong> ra<strong>di</strong>azione<br />

incidente. Questa ra<strong>di</strong>azione, detta ra<strong>di</strong>azione Raman, può essere sfruttata per stu<strong>di</strong><br />

strutturali, perché interessa alcuni tipi <strong>di</strong> rotazione e vibrazione moleco<strong>la</strong>re, soprattutto <strong>di</strong><br />

molecole organiche e composti <strong>di</strong> coor<strong>di</strong>nazione. La spettroscopia Raman ha acquisito da<br />

qualche tempo una specifica importanza, specialmente dopo l'introduzione <strong>di</strong> sorgenti <strong>la</strong>ser, ma<br />

può essere fatta rientrare fra le tecniche che si basano sul<strong>la</strong> luminescenza.<br />

seratechimiche@altervista.org Alessandro Trifirò Pag. 3 <strong>di</strong> 10


SERATE CHIMICHE - <strong>Tecniche</strong> <strong>ottiche</strong> <strong>di</strong> <strong>analisi</strong> - www.seratechimiche.altervista.org<br />

Po<strong>la</strong>rizzazione<br />

La luce si <strong>di</strong>ce po<strong>la</strong>rizzata, quando oscil<strong>la</strong> su uno solo degli infiniti piani che passano per <strong>la</strong><br />

retta lungo cui <strong>la</strong> ra<strong>di</strong>azione si propaga. Viene detta linearmente po<strong>la</strong>rizzata se il piano rimane<br />

fisso nel tempo, circo<strong>la</strong>mente po<strong>la</strong>rizzata invece, se il piano ruota intorno al<strong>la</strong> <strong>di</strong>rezione <strong>di</strong><br />

propagazione <strong>con</strong> velocità costante. La luce po<strong>la</strong>rizzata viene ottenuta me<strong>di</strong>ante un opportuno<br />

sistema po<strong>la</strong>rizzatore. Esistono partico<strong>la</strong>ri composti chimici, detti otticamente attivi, dotati<br />

del<strong>la</strong> capacità <strong>di</strong> ruotare il piano del<strong>la</strong> luce po<strong>la</strong>rizzata <strong>di</strong> α gra<strong>di</strong>. L'angolo <strong>di</strong> po<strong>la</strong>rizzazione<br />

(α) è carateristico <strong>di</strong> ciascun composto e <strong>di</strong>pende dal<strong>la</strong> <strong>con</strong>centrazione del<strong>la</strong> soluzione, dal<br />

cammino ottico percorso nel<strong>la</strong> soluzione, dal<strong>la</strong> temperatura e dal<strong>la</strong> lunghezza d'onda del<strong>la</strong> luce<br />

po<strong>la</strong>rizzata. Ogni sostanza otticamente attiva è caratterizzata da un potere rotatorio<br />

specifico in<strong>di</strong>cato <strong>con</strong>:<br />

t α<br />

[α] λ=<br />

l C<br />

dove α è l'angolo <strong>di</strong> rotazione, misurato sperimentalmente; l lo spessore del campione (in dm);<br />

C <strong>la</strong> <strong>con</strong>centrazione (in g/mL); λ <strong>la</strong> lunghezza d'onda del <strong>di</strong> luce po<strong>la</strong>rizzata; t <strong>la</strong> temperatura<br />

(in °C).<br />

In letteratura, il potere rotatorio specifico è riferito al<strong>la</strong> riga D del so<strong>di</strong>o (λ = 589,3 nm) e al<strong>la</strong><br />

temperatura <strong>di</strong> 20°C.<br />

I due enantiomeri <strong>di</strong> un composto otticamente attivo possono ruotare il piano del<strong>la</strong> luce verso<br />

destra o verso sinistra. L'enantiomero destrogiro, ruota il piano del<strong>la</strong> luce in senso orario e<br />

viene in<strong>di</strong>cato <strong>con</strong> <strong>la</strong> lettera d (o <strong>con</strong> un segno +); l'enantiomero levogiro invece, ruota il piano<br />

del<strong>la</strong> luce in senso antiorario e si in<strong>di</strong>ca <strong>con</strong> <strong>la</strong> lettera l (o <strong>con</strong> un segno -).<br />

Quando una ra<strong>di</strong>azione luminosa attraversa un mezzo po<strong>la</strong>rizzatore, viene selezionato uno solo degli infiniti piani del<strong>la</strong> ra<strong>di</strong>azione; se <strong>la</strong> luce così po<strong>la</strong>rizzata,<br />

in<strong>con</strong>tra un composto otticamente attivo, si ha una rotazione <strong>di</strong> α° del piano <strong>di</strong> oscil<strong>la</strong>zione del<strong>la</strong> luce po<strong>la</strong>rizzata verso destra o verso sinistra.<br />

La po<strong>la</strong>rimetria è <strong>la</strong> tecnica <strong>con</strong> cui si può risalire al<strong>la</strong> <strong>con</strong>centrazione <strong>di</strong> specie otticamente<br />

attive (come gli zuccheri in soluzione acquose) e si ricavano anche informazioni sul<strong>la</strong> struttura<br />

moleco<strong>la</strong>re. La spettropo<strong>la</strong>rimetria rappresenta un evoluzione del<strong>la</strong> po<strong>la</strong>rimetria e si presta<br />

sopprattutto a stu<strong>di</strong> strutturali.<br />

seratechimiche@altervista.org Alessandro Trifirò Pag. 4 <strong>di</strong> 10


SERATE CHIMICHE - <strong>Tecniche</strong> <strong>ottiche</strong> <strong>di</strong> <strong>analisi</strong> - www.seratechimiche.altervista.org<br />

Interferenza<br />

Quando due o più onde elettromagnetiche interagis<strong>con</strong>o tra <strong>di</strong> loro possono dare luogo a<br />

fenomeni <strong>di</strong> intereferenza. Si ha una interferenza costruttiva quando le onde si<br />

intensificano, generando un'onda <strong>di</strong> ampiezza doppia rispetto alle onde primarie<br />

(generalmente: quando <strong>la</strong> cresta <strong>di</strong> un onda in<strong>con</strong>tra <strong>la</strong> cresta <strong>di</strong> un'altra onda <strong>con</strong> frequenza<br />

uguale, genera una terza onda <strong>la</strong> cui ampiezza è il doppio delle onde primarie ma mantiene <strong>la</strong><br />

frequenza iniziale); si ha una interferenza <strong>di</strong>struttiva quando le onde si indebolis<strong>con</strong>o fino<br />

ad annul<strong>la</strong>rsi (generalmente: quando <strong>la</strong> cresta <strong>di</strong> un'onda in<strong>con</strong>tra <strong>la</strong> go<strong>la</strong> <strong>di</strong> un'altra <strong>con</strong> pari<br />

frequenza, l'onda risultante è nul<strong>la</strong>).<br />

a) Frange <strong>di</strong> interferenza prodotte dal<strong>la</strong> luce blu. b) Interferenza costruttiva e c) <strong>di</strong>struttiva <strong>di</strong> due ra<strong>di</strong>azioni monocromatiche <strong>di</strong> uguale lunghezza d'onda e<br />

ampiezza.<br />

Allo stesso modo quando le onde luminose<br />

interagis<strong>con</strong>o fra loro, si osservano<br />

variazioni rego<strong>la</strong>i <strong>di</strong> luminosità. Se si<br />

intercettano su uno schermo i raggi prodotti<br />

dal<strong>la</strong> interferenza <strong>di</strong> ra<strong>di</strong>azioni del<strong>la</strong> stessa<br />

frequenza, si ottengono una serie <strong>di</strong> frange<br />

(o figure) <strong>di</strong> interferenza, in cui si<br />

susseguono strisce luminose (interferenza<br />

costruttiva) e strisce scure (interferenza<br />

<strong>di</strong>struttiva). L'interferometria<br />

è una<br />

tecnica analitica che sfrutta l'interferenza e<br />

viene usata principalmente nel campo del<strong>la</strong><br />

ricerca e del<strong>la</strong> tecnologia ed è inpiegata in<br />

molti spettrofotometri IR. In partico<strong>la</strong>re i<br />

filtri interferenziali sono spesso usati come<br />

monocromatori in alcuni spettrofotometri.<br />

I filtri interferenziali sono costituiti da<br />

una <strong>la</strong>mina <strong>di</strong> MgF2 resa semitrasparente da<br />

Pincipio <strong>di</strong> funzionamento del filtro interferenziale visto in sezione. La ra<strong>di</strong>azione<br />

incide perpen<strong>di</strong>co<strong>la</strong>rmente sul filtro (anche se per motivi <strong>di</strong> chiarezza è <strong>di</strong>versamente<br />

in<strong>di</strong>cato in figura) e rimbalza molte volte nel<strong>la</strong> <strong>la</strong>minetta <strong>di</strong> MgF2, perchè lo strato <strong>di</strong><br />

argento ne riflette una parte, ma ne <strong>la</strong>scia anche passare una parte. All'uscita dal<br />

filtro, le ra<strong>di</strong>aizoni sono sovrapposte e via via meno intense.<br />

seratechimiche@altervista.org Alessandro Trifirò Pag. 5 <strong>di</strong> 10


SERATE CHIMICHE - <strong>Tecniche</strong> <strong>ottiche</strong> <strong>di</strong> <strong>analisi</strong> - www.seratechimiche.altervista.org<br />

due film <strong>di</strong> argento metallico: <strong>la</strong> ra<strong>di</strong>aizone incide perpen<strong>di</strong>co<strong>la</strong>rmente sul filtro e rimbalza<br />

molte volte su<strong>la</strong> <strong>la</strong>muina, perchè lo strato <strong>di</strong> argento ne riflette ogni volta circa <strong>la</strong> metà e ne<br />

<strong>la</strong>scia passare atrettanta; all'uscita del filtro, le ra<strong>di</strong>azioni (<strong>di</strong> <strong>di</strong>verse intensità) sono<br />

sovrapposte le une al<strong>la</strong> altre e interferis<strong>con</strong>o fra loro. La <strong>con</strong><strong>di</strong>zione necessaria affinchè due<br />

onde arrivino fra loro in corcordanza <strong>di</strong> fase (e <strong>di</strong>ano quin<strong>di</strong> interferenza costruttiva) all'uscito<br />

del filtro è <strong>la</strong> <strong>di</strong>fferenza <strong>di</strong> cammino fra due onde in successione sia uguale ad un numero<br />

intero (n=1, 2, 3, ...) <strong>di</strong> lunghezze d'onda: 2s = nλ<br />

da cui: λ = 2s/n<br />

Per esempio, se un filtro ha uno spessore <strong>di</strong> 200 nm, emergono (sovrapposte l'una all'altra e<br />

<strong>con</strong> intensità via via decrescente) solo le ra<strong>di</strong>azioni <strong>con</strong>: λ = 400 nm (n = 1); λ = 200 nm (n =<br />

2); λ = 133,33 nm (n = 3); e così via. Sul piano pratico interessa solo una <strong>di</strong> queste<br />

componenti monocramatiche, per cui le altre vengono eliminate me<strong>di</strong>ante semplici filtri; per<br />

esempio Le ra<strong>di</strong>azioni UV possono essere eliminate <strong>con</strong> una normale <strong>la</strong>mina <strong>di</strong> vetro, che le<br />

assorbe.<br />

Diffrazione<br />

Il fenomeno del<strong>la</strong> <strong>di</strong>ffrazione si manifesta quando un fascio <strong>di</strong> luce attraversa una fen<strong>di</strong>tura.<br />

Se tale fen<strong>di</strong>tura è dello stesso or<strong>di</strong>ne <strong>di</strong> grandezza del<strong>la</strong> lunghezza d'onda del<strong>la</strong> ra<strong>di</strong>azione<br />

incidente si otterranno, su <strong>di</strong> uno schermo posto a debita <strong>di</strong>stanza, una serie <strong>di</strong> immagini del<strong>la</strong><br />

fen<strong>di</strong>tura stessa, via via decrescente a partire dal centro, si tratta delle cosiddette frange <strong>di</strong><br />

<strong>di</strong>ffrazione.<br />

La <strong>di</strong>ffrazione può essere spiegata in base al fenomeno del<strong>la</strong> interferenza. Per il<br />

principio <strong>di</strong> Huygens-Fresnel,<br />

ogni punto del<strong>la</strong> fen<strong>di</strong>tura <strong>di</strong>venta, a sua volta, una sorgente<br />

<strong>di</strong> onde che si propagano in tutte le <strong>di</strong>rezioni dello spazio; l'interferenza fra queste onde<br />

produce l'alternanza <strong>di</strong> zone luminose ( interferenza costruttiva)<br />

e scure ( interferenza<br />

<strong>di</strong>struttiva)<br />

sullo schermo e porta al<strong>la</strong> formazione <strong>di</strong> frange <strong>di</strong> intereferenza.<br />

Attualmente esistono <strong>di</strong>versi <strong>di</strong>positivi utilizzati per l'<strong>analisi</strong> chimica che realizzano il fenomeno<br />

del<strong>la</strong> <strong>di</strong>ffrazione, i più comuni sono:<br />

– reticoli <strong>di</strong> trasmissione, costituiti da una superficie trasparente su cui viene fatto<br />

aderire uno strato sottile <strong>di</strong> <strong>materia</strong>le opaco. Su questo <strong>materia</strong>le viene poi incisa una<br />

serie molto fitta <strong>di</strong> fen<strong>di</strong>ture (fino a 2000 per nm);<br />

– reticoli <strong>di</strong> riflessione, costituiti da una superficie riflettente su cui viene praticato un<br />

enorme numero <strong>di</strong> incisioni (fino a 6000 per nm), ugualmente <strong>di</strong>stanti fra loro, in modo<br />

da creare una successione <strong>di</strong> minuscoli “gra<strong>di</strong>ni” tutti uguali fra <strong>di</strong> loro.<br />

Una partico<strong>la</strong>re <strong>di</strong>stinzione va fatta per quanto riguarda i reticoli a riflessione <strong>di</strong> fase dove i<br />

solchi, hanno un caratteristico angolo <strong>di</strong> taglio, detto angolo b<strong>la</strong>ze, e possono essere del tipo<br />

échelette (rilfessione sul <strong>la</strong>to lungo), <strong>con</strong> un migliaio <strong>di</strong> solchi per millimetro o échelle<br />

(riflessione sul <strong>la</strong>to corto) <strong>con</strong> meno <strong>di</strong> 100 solchi per millimetro.<br />

Reticoli <strong>di</strong> riflessione (a) échelette e (b) échelle<br />

seratechimiche@altervista.org Alessandro Trifirò Pag. 6 <strong>di</strong> 10


SERATE CHIMICHE - <strong>Tecniche</strong> <strong>ottiche</strong> <strong>di</strong> <strong>analisi</strong> - www.seratechimiche.altervista.org<br />

Luminescenza<br />

Se <strong>la</strong> <strong>materia</strong> è opportunamente sollecitata da una forma <strong>di</strong> energia, essa può riemetter<strong>la</strong><br />

completamente o in parte, sotto forma <strong>di</strong> luce visibile dando luogo a fenomeni <strong>di</strong><br />

luminescenza.<br />

A se<strong>con</strong>da del tipo <strong>di</strong> energia fornita al<strong>la</strong> <strong>materia</strong> si hanno <strong>di</strong>versi tipi <strong>di</strong> luminescenza:<br />

– ra<strong>di</strong>oluminescenza (energia fornita <strong>di</strong> tipo ra<strong>di</strong>attivo)<br />

– chemioluminescenza (energia fornita da partico<strong>la</strong>ri reazioni chimiche)<br />

– bioluminescenza (energia fornita da reazioni biochimiche)<br />

– triboluminescenza (energia fornita <strong>di</strong> tipo meccanico)<br />

– termoluminescenza (energia fornita <strong>di</strong> tipo termico)<br />

– fotoluminescenza (esenergia fornita <strong>di</strong> tipo elettromagnetico)<br />

La fotoluminescenza si manifesta in tre fenomeni fondamentali: fluorescenza,<br />

fosforescenza<br />

ed emissione Raman.<br />

Rappresentazione schematica del<strong>la</strong> fluorescenza e del<strong>la</strong> fosforescenza moleco<strong>la</strong>re<br />

Fluorescenza moleco<strong>la</strong>re:<br />

i fenomeni che interessano <strong>la</strong> fluorescenza moleco<strong>la</strong>re a seguito <strong>di</strong> una eccitazione sono:<br />

– Fluorescenza <strong>di</strong> risonanza.<br />

La moleco<strong>la</strong> torna istantanemante nello stato<br />

fondamentale S0 emettendo ra<strong>di</strong>azioni luminose <strong>con</strong> energia pari a quelle che hanno<br />

prodoto l'eccitazione. (fenomeno che avviene raramente)<br />

– Ri<strong>la</strong>ssamento vibrazionale.<br />

Si ha quando <strong>la</strong> moleco<strong>la</strong> passa da uno stato vibrazionale più<br />

alto ad uno stato elettronico più basso senza emissione luminosa, l'energia viene<br />

<strong>di</strong>ssapata attraverso gli urti fra le molecole.<br />

– Conversione Intena.<br />

Passaggio ad un livello vibrazionale a maggiore energia ad un<br />

livello elettronico più basso attraverso un ri<strong>la</strong>ssamento vibrazionale.<br />

– Conversione Intersistema.<br />

Passaggio da un livello fondamentale vibrazionale dello stato<br />

elettronico eccitato ad uno dei livelli vibrazionali dello stato <strong>di</strong> tripletto, attraverso<br />

l'inversione <strong>di</strong> spin <strong>di</strong> un elettrone.<br />

– Fluorescenza normale.<br />

Si ha quando una moleco<strong>la</strong> passa da uno stato vibrazionale<br />

più alto ad uno stato elettronico eccitato S1 <strong>di</strong>sperdendo parte del<strong>la</strong> sua energia<br />

attraverso un fenomeno <strong>di</strong> ri<strong>la</strong>ssamento vibrazionale ed emettendo <strong>la</strong> restante parte <strong>di</strong><br />

energia assorbita, sottoforma <strong>di</strong> ra<strong>di</strong>azione luminosa <strong>con</strong> energia inferiore all'energia<br />

fornita per l'eccitazione e maggiore lunghezza d'onda. (fenomeno che avviene <strong>con</strong><br />

facilità ed in tempi molto brevi).<br />

– Fosforescenza moleco<strong>la</strong>re.<br />

Avviene quando <strong>la</strong> moleco<strong>la</strong> si trova in uno stato <strong>di</strong><br />

tripletto, ovvero <strong>la</strong> moleco<strong>la</strong> ha elettroni <strong>con</strong> spin paralleli. L'energia viene anche in<br />

questo caso <strong>di</strong>ssipata in parte attraverso una fenomeno <strong>di</strong> ri<strong>la</strong>ssamento vibrazionale, e<br />

riemessa sotto forma <strong>di</strong> ra<strong>di</strong>azione luminosa in quantità infiore (cioè <strong>con</strong> meno energia)<br />

rispetto a quel<strong>la</strong> <strong>di</strong> eccitazione ma <strong>con</strong> ancora maggiore lunghezza d'onda rispetto al<strong>la</strong><br />

fluorescenza. (fenomeno che avviene <strong>con</strong> <strong>di</strong>fficoltà e <strong>con</strong> tempi maggiori).<br />

seratechimiche@altervista.org Alessandro Trifirò Pag. 7 <strong>di</strong> 10


SERATE CHIMICHE - <strong>Tecniche</strong> <strong>ottiche</strong> <strong>di</strong> <strong>analisi</strong> - www.seratechimiche.altervista.org<br />

La fluorimetria moleco<strong>la</strong>re è una tecnica analitica che si rive<strong>la</strong> partico<strong>la</strong>rmente utile per <strong>la</strong><br />

capacità <strong>di</strong> rive<strong>la</strong>re quantità piccolissime <strong>di</strong> sostanza, oltre a quel<strong>la</strong> <strong>di</strong> <strong>di</strong>scriminare fra molecole<br />

che sono florescenti e quelle che non lo sono.<br />

Fluorescenza atomica<br />

I fenomeni che interessano <strong>la</strong> fluorescenza atomica sono:<br />

– Fluorescenza <strong>di</strong> risonanza.<br />

Quando un atomo assorbe un fotone <strong>di</strong> energia, un<br />

elettrone passa dallo stato S0 ad uno stato eccitato S1, simultanemente però l'elettrone<br />

ritorna allo stato fondamentale emettendo un fotone <strong>di</strong> energia uguale a quel<strong>la</strong><br />

assorbita.<br />

– Fluorescenza normale.<br />

L'elettrone eccitato in livello S3,<br />

prima perde parte del<strong>la</strong> sua<br />

energia in maniera non ra<strong>di</strong>ante, in seguito alle collisioni atomo-atomo, poi torna al<br />

livello fondamentale S0 emettendo un fotone <strong>di</strong> lunghezza d'onda maggiore <strong>di</strong> quel<strong>la</strong> del<br />

fotone assorbito.<br />

– Fluorescenza inversa.<br />

L'elettrone eccitato in livello S3,<br />

decade a un livello energetico<br />

più basso (S1) emettendo un fotone <strong>di</strong> lunghezza d'onda maggiore <strong>di</strong> quel<strong>la</strong> del fotone<br />

assorbito, poi ritorna al livello fondamentale <strong>di</strong> partenza per via non ra<strong>di</strong>ante.<br />

– Fluorescenza termicamente assistita.<br />

L'elettrone raggiunge il livello energetico S2,<br />

in seguito all'assorbimento <strong>di</strong> parte dell'atomo <strong>di</strong> un fotone <strong>di</strong> energia ed anche da parte<br />

<strong>di</strong> energia termica. Quando ritorna al livello fondamentale, l'elettrone emette un fotone<br />

<strong>di</strong> lunghezza d'onda minore <strong>di</strong> quel<strong>la</strong> del fotone assorbito.<br />

Rappresentazione schematica del<strong>la</strong> fluorescenza atomica<br />

La tecnica analitica basata sul<strong>la</strong> fluorescenza atomica si caratterizza per i bassi limiti <strong>di</strong><br />

rive<strong>la</strong>bilità e soprattutto per <strong>la</strong> possibilità <strong>di</strong> <strong>di</strong>scriminare fra luce <strong>di</strong>ffusa e ra<strong>di</strong>azione<br />

fluorescente.<br />

Fluorescenza X<br />

I raggi X trasportano molta energia e sono in grado <strong>di</strong> eccitare gli elettroni più vicini al nucleo<br />

fino al cosiddetto livello k.<br />

Si forma così un sistema molto instabile in cui gli elettroni si<br />

riassestano me<strong>di</strong>ante una caduta a cascata verso gli strati più interni, <strong>con</strong> <strong>con</strong>seguente<br />

emissione <strong>di</strong> energia in <strong>di</strong>versi mo<strong>di</strong>: espellendo elettroni ( effetto Auger),<br />

o attraverso<br />

l'emissione <strong>di</strong> raggi X meno energetici ( fluorescenza X o emissione X se<strong>con</strong>daria)<br />

.<br />

I raggi X emessi dall'atomo costituis<strong>con</strong>o uno spettro <strong>di</strong> fluorescenza che viene stu<strong>di</strong>ato<br />

men<strong>di</strong>ante <strong>la</strong> fluorescenza X, una tecnica molto usata in chimica analitica nello stu<strong>di</strong>o dei<br />

metalli pesanti in matrici molto complesse.<br />

seratechimiche@altervista.org Alessandro Trifirò Pag. 8 <strong>di</strong> 10


SERATE CHIMICHE - <strong>Tecniche</strong> <strong>ottiche</strong> <strong>di</strong> <strong>analisi</strong> - www.seratechimiche.altervista.org<br />

Rappresentazione schematica del<strong>la</strong> fluorescenza X<br />

Emissione Raman<br />

Quando una ra<strong>di</strong>azione colpisce particelle <strong>di</strong> <strong>di</strong>ametro inferiore ad 1/10 del<strong>la</strong> propria lunghezza<br />

d'onda, essa viene <strong>di</strong>ffusa. Una frazione <strong>di</strong> luce <strong>di</strong>ffusa però ha una frequenza <strong>di</strong> poco <strong>di</strong>versa<br />

(maggiore o minore) da quel<strong>la</strong> del<strong>la</strong> ra<strong>di</strong>azione incidente, tale fenomeno viene detto<br />

emissione (o <strong>di</strong>ffusione)<br />

Raman e prevede i seguenti eventi:<br />

1. il fotone eccita una picco<strong>la</strong> una frazione <strong>di</strong> molecole dal livello fondamentale a un<br />

partico<strong>la</strong>re livello eccitato n1 (livello pseudoelettronico) da cui poi decade su livelli<br />

vibrazionali eccitati <strong>con</strong> un processo <strong>di</strong> ri<strong>la</strong>ssamento ra<strong>di</strong>ante. La ra<strong>di</strong>azione emessa,<br />

perciò, ha frequenza leggermente minore <strong>di</strong> quel<strong>la</strong> eccitante. L'effetto Raman si verifica<br />

qualunque sia <strong>la</strong> frequenza del<strong>la</strong> ra<strong>di</strong>azione incidente.<br />

2. La maggior parte delle molecole, che si trova allo stato fondamentale, assorbe i fotoni e<br />

li riemette tali e quali (<strong>di</strong>ffusione Reyleight). La ra<strong>di</strong>azione emessa ha <strong>la</strong> stessa<br />

frequenza eccitante.<br />

3. Una picco<strong>la</strong> frazione <strong>di</strong> molecole, in uno stato vibrazionale eccitato, acquista energia dai<br />

fotoni e passa su un <strong>di</strong>verso livello pseudoelettronico (n2), da cui ricade allo stato<br />

vibrazionale fondamentale liberando un'energia maggiroe <strong>di</strong> quel<strong>la</strong> assorbita; <strong>la</strong><br />

ra<strong>di</strong>azione emessa ha frequenza leggermente maggiore delle ra<strong>di</strong>azioni eccitanti. Le<br />

righe <strong>di</strong> emissione <strong>di</strong> frequenza minore o maggiore del<strong>la</strong> ra<strong>di</strong>azione eccitante sono dette<br />

“righe satelliti” (righe si Stokes e <strong>di</strong> anti-Stokes), le righe che hanno <strong>la</strong> stessa<br />

frequenza del<strong>la</strong> ra<strong>di</strong>azione eccitante sono dette righe <strong>di</strong> Rayleight.<br />

Rappresentazione schematica dell'emissione Raman<br />

seratechimiche@altervista.org Alessandro Trifirò Pag. 9 <strong>di</strong> 10


SERATE CHIMICHE - <strong>Tecniche</strong> <strong>ottiche</strong> <strong>di</strong> <strong>analisi</strong> - www.seratechimiche.altervista.org<br />

Assorbimento<br />

Per assorbimento si intende l'acquisizione, da parte del<strong>la</strong> <strong>materia</strong>, <strong>di</strong> energia <strong>di</strong> ra<strong>di</strong>azioni<br />

elettromagnetiche. L'assorbimento avviene in tempi molto brevi ed è seguito imme<strong>di</strong>tamente<br />

da una riemissione dell'energia assorbita sottoforma <strong>di</strong> calore, senza produrre alcuna forma <strong>di</strong><br />

energia ra<strong>di</strong>ante. Durante l'assorbimento l'energia <strong>di</strong> atomi e molecole aumenta, provocando<br />

<strong>di</strong>versi fenomeni che <strong>di</strong>pendono dal tipo <strong>di</strong> ra<strong>di</strong>azione che colpisce <strong>la</strong> <strong>materia</strong>:<br />

– ra<strong>di</strong>ofrequenze – (ra<strong>di</strong>azioni <strong>con</strong> bassa energia) interagis<strong>con</strong>o solo <strong>con</strong> lo spin <strong>di</strong> alcuni<br />

nuclei;<br />

– microonde – innescano rotazioni nelle molecole;<br />

– ra<strong>di</strong>azioni IR – amplificano le oscil<strong>la</strong>zioni naturali dei legami moleco<strong>la</strong>ri;<br />

– ra<strong>di</strong>azione dell'UV/Visibile – eccitano gli elettroni <strong>di</strong> valenza;<br />

– raggi X – (ra<strong>di</strong>azioni <strong>con</strong> alta energia) – estraggono gli elettroni più vicini al nucleo.<br />

Interpretazione dell'assorbimento se<strong>con</strong>do il modello corpusco<strong>la</strong>re<br />

L'assorbimento avviene solo se l'energia quantizzata dei fotoni che colpis<strong>con</strong>o <strong>la</strong> <strong>materia</strong>, è<br />

esattamente uguale a quel<strong>la</strong> necessaria ad uno dei tanti salti energetici possibili ( salti quantici)<br />

per atomi ( livelli elettronici)<br />

e molecole ( livelli elettronici, vibrazionali, rotazionali)<br />

.<br />

Interpretazione dell'assorbimento se<strong>con</strong>do il modello ondu<strong>la</strong>torio<br />

L'assorbimento avviene solo se <strong>la</strong> frequenza dell'onda elettromagnetica che colpisce <strong>la</strong> <strong>materia</strong><br />

è in risonanza <strong>con</strong> <strong>la</strong> frequenza <strong>di</strong> oscil<strong>la</strong>zione del sistema <strong>materia</strong>le che deve comportarsi<br />

come un <strong>di</strong>polo elettrico oscil<strong>la</strong>nte in corrispondenza del<strong>la</strong> transizione energetica. Lo scambio <strong>di</strong><br />

energia avviene solo se <strong>la</strong> re<strong>di</strong>stribuzione <strong>di</strong> carica che accompagna <strong>la</strong> transizione comporta <strong>la</strong><br />

formazione <strong>di</strong> un momento <strong>di</strong>po<strong>la</strong>re <strong>di</strong> transizione (o transitorio)<br />

.<br />

In un atomo, gli elettroni possono essere immaginati come “oscil<strong>la</strong>tori” che possono interagire<br />

<strong>con</strong> il campo elettrico <strong>di</strong> una ra<strong>di</strong>azione. Se <strong>la</strong> frequenza del<strong>la</strong> ra<strong>di</strong>azione coincide <strong>con</strong> <strong>la</strong><br />

frequenza <strong>di</strong> vibrazione <strong>di</strong> un atomo, i due sistemi possono entrare in risonanza e si verifica<br />

l'assorbimento.<br />

In una moleco<strong>la</strong>, si <strong>con</strong>sidera <strong>la</strong> moleco<strong>la</strong> stessa come un “oscil<strong>la</strong>tore” poiché gli elettroni sono<br />

in movimento e gli atomi che <strong>la</strong> costituis<strong>con</strong>o sono in <strong>con</strong>tinua oscil<strong>la</strong>zione e vibrazione intorno<br />

alle rispettive posizioni <strong>di</strong> equilibrio e possono quin<strong>di</strong> generare <strong>di</strong>poli oscil<strong>la</strong>nti. Se queste<br />

oscil<strong>la</strong>zioni sono in risonanza <strong>con</strong> <strong>la</strong> frequenza del<strong>la</strong> ra<strong>di</strong>azione incidente si verifica<br />

l'assorbimento.<br />

A causa dell'assorbimento, l'intensità misurata a valle <strong>di</strong> un campione irraggiato può risultare<br />

minore rispetto a quel<strong>la</strong> del<strong>la</strong> ra<strong>di</strong>azione incidente. Su questo fatto si basano le <strong>di</strong>verse<br />

tecniche del<strong>la</strong> spettrocospia (o spettrofotometria)<br />

<strong>di</strong> assorbimento atomico o<br />

moleco<strong>la</strong>re che <strong>con</strong>sentono l'<strong>analisi</strong> qualitativa e quantitativa <strong>di</strong> <strong>di</strong>versi <strong>materia</strong>li e sostanze.<br />

Emissione<br />

Quando si fornisce energia al<strong>la</strong> <strong>materia</strong> sottoforma <strong>di</strong> calore o <strong>di</strong> elettricità <strong>la</strong> <strong>con</strong>seguente<br />

emissione <strong>di</strong> ra<strong>di</strong>azioni elettromagnetiche è detta emissione.<br />

La <strong>con</strong><strong>di</strong>zione essenziale affinchè<br />

si abbia emissione <strong>di</strong> onde elettromagnetiche è che, durante <strong>la</strong> transizione, si formi un <strong>di</strong>polo<br />

transitorio. La spettroscopia <strong>di</strong> emissione comprende un insieme <strong>di</strong> tecniche molto utili per<br />

l'<strong>analisi</strong> qualitativa e quantitativa <strong>di</strong> atomi e molecole.<br />

seratechimiche@altervista.org Alessandro Trifirò Pag. 10 <strong>di</strong> 10

Hooray! Your file is uploaded and ready to be published.

Saved successfully!

Ooh no, something went wrong!