home page - novità - mappa - link AMA - Associazione Marchigiana Astrofili - Ancona

l'universo in un raggio di luce

COME LA SPETTROSCOPIA HA CAMBIATO L'ASTRONOMIA

< indietro avanti >

6. dove nascono le righe

Nella teoria atomica di Bohr abbiamo visto che il passaggio di un elettrone da uno stato all’altro richiede un’energia ΔE = h n. Dove trova l'elettrone l'energia "giusta" che gli serve per saltare in un'orbita più elevata?

Le righe e i salti degli elettroni

Uno dei meccanismi che permette di salire su orbite più elevate è la cattura e l'assorbimento di un fotone di energia ΔE. Allo stesso modo quando un elettrone scende in un'orbita meno energetica cede un fotone per l'energia corrispondente ΔE. Ma abbiamo visto che l'energia del fotone è proporzionale alla sua frequenza! Questo significa che per ogni possibile salto dall'elettrone può venire emesso o assorbito un fotone della corrispondente frequenza  n = ΔE / h.

Quindi un fotone che ha la giusta frequenza permette all'elettrone di salire in un'orbita superiore. Allo stesso modo quando un elettrone ritorna in un'orbita inferiore emette un fotone della frequenza corrispondente. Quando vediamo una riga di assorbimento vuole dire che i fotoni della corrispondente lunghezza d'onda sono stati assorbiti; quando vediamo una riga di emissione vuole dire che sono stati emessi i fotoni di quella lunghezza d'onda. Per questo le righe negli spettri di emissione e di assorbimento corrispondono perfettamente: ogni riga corrisponde ad un salto tra due orbite, e ogni salto richiede sempre la stessa energia!


Le serie dell'atomo di idrogeno
fonte: Spettroscopia
(Società Astronomica Schiaparelli)

LE SERIE DI RIGHE DELL'ATOMO DI IDROGENO

Poiché ad ogni frequenza di un fotone corrisponde una specifica riga verticale nello spettro, nello spettro dell'idrogeno potremo vedere solo determinate righe e non altre.

  • Le righe visibili nell'ottico (tra le quali le righe H-a, H-b e H-g scoperte da Ångstrom nel 1862) fanno parte della cosiddetta serie di Balmer e corrispondono ai salti che vanno dal secondo livello (n=2) ai superiori.

  • Naturalmente ci sono righe anche nella parte invisibile ai nostri occhi, come la serie di Lyman nell'ultravioletto, righe energetiche che corrispondono ai salti dal livello fondamentale (n=1) ai superiori, e la serie di Paschen nell'infrarosso, le cui righe corrispondono ai salti dal terzo livello.

Se per esempio prendiamo una nube di idrogeno, l'atomo più semplice, avremo miliardi di atomi. I salti possibili tra l'orbita fondamentale e le orbite eccitate sono tanti, perciò in generale potrà essere assorbita ed emessa radiazione in tutte quelle frequenze che corrispondono a differenze di energia tra i livelli, sempre che sia a disposizione l'energia necessaria al salto.


Max Planck, Albert Einstein e Niels Bohr
www.nobelprize.org

I TRENT'ANNI CHE SCONVOLSERO LA FISICA

Il fisico George Gamow definì i primi tre decenni del secolo scorso I trent'anni che sconvolsero la fisica. Lord Kelvin a fine ottocento pensava che tutta la fisica era ben conosciuta e che tutto quello che c'era da sistemare erano solo alcuni piccoli "dettagli". Ma il lavoro di Planck, Einstein e Bohr, mentre risolveva alcuni di quegli scomodi dettagli, stava aprendo una strada completamente nuova verso l'infinitamente grande l'infinitamente piccolo  Quando poi ci si accorse che il modello di Bohr non funzionava per gli atomi più complessi dell'idrogeno, Schrödinger (1926) nella sua teoria atomica non parlò più di posizione dell'elettrone, ma solamente di probabilità di trovarlo in una determinata regione dello spazio. Il periodo si chiuse con il principio di indeterminazione di Heisenberg (1927), che dimostrò che a livello atomico non è neanche possibile misurare contemporaneamente posizione e moto o energia di qualunque particella! In tre decenni i fisici e gli astronomi avrebbero dovuto lasciare da parte, insieme all'onnipotenza della fisica classica, l'antico sogno di un Universo pensato come un prefetto orologio!

Per ogni elemento la sua firma

Il calcolo teorico delle righe di emissione dell'idrogeno e dell'elio ionizzato in base al modello di Bohr corrisponde a quanto si osserva nei loro spettri.


Lo spettro dell'idrogeno nel visibile (si nota nel rosso la cosiddetta riga H-a, responsabile del colore delle nebulose),
fonte: Spectra of Gas Discharges, Joachim Köppen – Univ. Strasbourg/Illkirch/Kiel

Nel caso di atomi più pesanti abbiamo più elettroni e più orbite possibili, quindi aumenta anche il numero e la complessità delle righe. Possiamo quindi dire che le righe di emissione e di assorbimento sono una specie di impronte digitali degli elementi chimici. Ecco gli spettri di alcuni elementi chimici nel visibile. Si notano la forte riga nel giallo del sodio e le righe nel viola del potassio, che avevamo visto colorare la fiamma dei corrispondenti sali:

 carbonio
 azoto
 ossigeno   
 sodio
 potassio
 calcio
 ferro
fonte: Spectra of Gas Discharges, Joachim Köppen – Univ. Strasbourg/Illkirch/Kiel

Nel caso delle molecole le righe sono molto più accostate e diventano vere e proprie bande; nei solidi e nei corpi densi le righe si sovrappongono tra loro dando luogo ad una distribuzione spettrale continua. 

Quindi, attraverso l'analisi della luce ricevuta e l'osservazione dello spettro, abbiamo un metodo per riconoscere la composizione chimica di una sostanza "a distanza". E' possibile, smentendo le parole di Auguste Comte, applicare questo metodo per conoscere la composizione chimica degli astri?

< indietro | INDICE | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | avanti >

> astronomia di base
> approfondimenti di astronomia
> ritorna alla home page