Spettroscopia

Schema di un'analisi mediante spettroscopio

La spettroscopia, in chimica e fisica, indica la misurazione e lo studio di uno spettro elettromagnetico. Uno strumento che permette di misurare uno spettro viene chiamato spettrometro, spettrografo o spettrofotometro; quest'ultimo termine si riferisce ad uno strumento per la misura dello spettro elettromagnetico. La spettroscopia è la scienza che misura l'intensità della luce a diverse lunghezze d'onda. Le rappresentazioni grafiche di queste misurazioni sono chiamate spettri.

Storia

Con la scoperta della natura ondulatoria della luce, il termine spettro venne riferito all'intensità della luce in funzione della lunghezza d'onda o della frequenza. Più semplicemente, la spettroscopia è la scienza della misurazione dell'intensità della luce a diverse lunghezze d'onda. Le rappresentazioni grafiche di queste misurazioni sono chiamate spettri. Attualmente il termine spettro è stato generalizzato ulteriormente, ed è riferito a un flusso o un'intensità di radiazione elettromagnetica o particelle (atomi, molecole o altro) in funzione della loro energia, lunghezza d'onda, frequenza o massa.

Descrizione

È noto che la luce emessa da una sorgente si propaga nello spazio in ogni direzione. Se essa incontra un corpo “opaco” (in cui le radiazioni non possono propagarsi), si genera un cono d'ombra. Se la superficie è levigata i raggi possono subire una riflessione, se non è levigata possono subire una diffusione. Se invece penetrano in un corpo trasparente ma vengono deviati, allora si ha il fenomeno della rifrazione, che provoca la scomposizione della luce policromatica in radiazioni di diverso colore (lunghezza d'onda) che possono essere raccolte su uno schermo dando origine allo spettro. L'esperimento di scindere la luce nei suoi colori componenti fu effettuato da Newton nel 1666, ponendo le basi della spettroscopia.

Esistono 3 tipi di spettri:

Ad emissione continua: studiando la radiazione ottenuta scaldando un corpo nero si otterrà uno spettro continuo che contiene tutte le onde elettromagnetiche esistenti, poiché in esso non vi sono interruzioni tra una radiazione e l'altra.
Ad emissione a righe o bande: si ottiene usando come sorgente un gas rarefatto (a bassa densità e pressione) ad elevata temperatura. Lo spettro che ne deriva non è continuo ma a righe o bande (caratteristiche di specie poliatomiche). Gas con diversa composizione danno diversi insiemi di righe caratteristiche, per questo motivo esso è utile per identificare la composizione chimica di un gas.
Ad assorbimento: quando la luce emessa da una sorgente passa per un gas a bassa pressione. Esso consente di identificare la natura chimica di una sostanza allo stato però gassoso.

L'analisi spettrale dunque, non solo è utile per analizzare le stelle, ma anche per studiare qualsiasi altro corpo che assorba e rifletta radiazioni elettromagnetiche.

Teoria dell'assorbimento

Per eseguire un'analisi spettrofotometrica si misura l'entità dell'assorbimento di una radiazione luminosa con un campione posto davanti ad una sorgente di radiazioni. Per interpretare i fenomeni che avvengono è necessario conoscere le caratteristiche delle sorgenti luminose e la struttura della materia. L'assorbimento della radiazione provoca un aumento dell'energia interna della sostanza che assorbe. Ciò implica una eccitazione delle particelle componenti (elettroni, atomi, molecole, ecc.), che produce fenomeni caratteristici per ogni sostanza. Secondo la meccanica quantistica l'energia delle particelle costituenti la materia è quantizzata, può cioè assumere solo certi valori discreti.

In condizioni normali una particella si trova nello stato di minima energia. Quando una radiazione colpisce una particella, se l'energia dei fotoni è uguale alla differenza fra l'energia dello stato eccitato della particella e quella di uno stato fondamentale, la radiazione viene assorbita e la particella passa dallo stato fondamentale a quello eccitato.

Poiché ad ogni sistema molecolare è associata una distribuzione caratteristica dei livelli energetici (elettronici, vibrazionali, rotazionali) l'assorbimento di una data radiazione è una proprietà caratteristica di quel sistema e non di altri. La meccanica quantistica consente di spiegare perché l'assorbimento di una determinata radiazione è specifico per ogni sostanza e dà luogo ad un caratteristico spettro di assorbimento. Essa inoltre, mediante lo sviluppo delle regole di selezione, permette di stabilire quali transizioni siano proibite e quali invece siano permesse.

La radiazione

La materia

Gli spettri di assorbimento rilevano quali frequenze sono state sottratte alla radiazione incidente nel passaggio attraverso il campione e permettono di misurare l'intensità con cui queste frequenze sono assorbite.

Strumenti e tecniche

Le tecniche basate sullo studio delle radiazioni assorbite che trovano maggior applicazione nei laboratori di analisi sono suddivise in base alle caratteristiche delle radiazioni in:

Applicazioni analitiche

Ogni sostanza assorbe a caratteristiche lunghezze d'onda. Questo consente di individuare un'analita sulla base del suo spettro di assorbimento, come fosse la sua impronta digitale, cioè di effettuare un'analisi qualitativa. Il profilo dello spettro di assorbimento dipende da vari parametri, quali, lo stato di aggregazione della sostanza, la natura del solvente, il pH della soluzione. L'assorbimento ad una certa lunghezza d'onda dipende dalla natura e dalla concentrazione dell'analita.

Analisi qualitativa

Analisi quantitativa

Tipi di spettroscopia

Radiazione elettromagnetica

Spettroscopia infrarossa - Lo studio dello spettro della radiazione infrarossa
Spettroscopia UV/visibile - Lo studio dello spettro della radiazione ottica e ultravioletta
Spettroscopia Raman
Spettroscopia astronomica - Lo studio dello spettro della radiazione emessa dalle stelle e degli oggetti del profondo cielo
Spettroscopia a campo integrale - Tecniche spettroscopiche utilizzate per lo studio di oggetti astronomici in particolar modo nella frequenza infrarossa
Spettroscopia di risonanza magnetica nucleare - Misura dell'assorbimento risonante di radiazione in radiofrequenza da parte di nuclei atomici in un forte campo magnetico
Spettroscopia Mössbauer - Misura l'assorbimento nucleare risonante di fotoni senza rinculo
Spettroscopia di assorbimento dei raggi X - Misura dell'assorbimento dei raggi X intorno ad una soglia, indicata con la sigla XAS (X-ray absorption spectroscopy)
Spettrofotometria XRF - Misura l'emissione di luce di fluorescenza di un campione esposto ai raggi X
Spettroscopia EDX - Energy Dispersive X-ray analysis, spettroscopia ad emissione di raggi X
PIXE - Particle Induced X-ray Emission, spettroscopia ad emissione di raggi X
Spettroscopia in riflettanza - Misura la riflettanza spettrale in funzione della lunghezza d'onda della radiazione incidente, che può essere vicino infrarosso, visibile o ultravioletto
Spettroscopia optogalvanica - Misura il cambiamento di corrente e del voltaggio in rapporto alla lunghezza d'onda della radiazione utilizzata per modificare la conducibilità di un gas tramite una scarica autosostenuta

Varie

Si possono fare altre suddivisioni in base al principio di funzionamento della spettroscopia: spettroscopia di emissione, spettroscopia di fluorescenza, spettroscopia di assorbimento, spettroscopia di diffusione, spettroscopia fotoelettronica.

In base al tipo di analisi dei dati: spettroscopia in trasformata di Fourier (metodo estesamente applicato nella misura di spettri di vario tipo al fine di passare da uno spettro registrato nel dominio del tempo ad uno leggibile nel dominio delle frequenze, comunemente applicato nella spettroscopia infrarossa (FTIR) e nella spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (FTNMR) da circa venti anni).

Voci correlate

Altri progetti

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Collegamenti esterni

(EN) Steven Chu, John Oliver Stoner, Jack D. Graybeal e George Samuel Hurst, spectroscopy, su Enciclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc.
(EN) Opere riguardanti Spettroscopia, su Open Library, Internet Archive.
(EN) IUPAC Gold Book, "spectroscopy", su doi.org.
Introduzione alla spettroscopia, su itchiavari.org. URL consultato il 17 aprile 2007 (archiviato dall'url originale il 13 luglio 2012).

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