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A caccia di spettri

Creato: 2022-05-13
Autore/i: Luciano Nicastro, INAF; Maura Sandri, INAF
2201-spectroscope

Con questo laboratorio gli studenti scopriranno alcuni aspetti della luce costruendo uno spettroscopio, un vero strumento scientifico fondamentale in astronomia. Gli spettroscopi permettono di studiare la composizione chimica e lo stato fisico dei corpi celesti che osserviamo. Lo spettroscopio che costruiremo non è esattamente come quelli che usano gli astronomi, ma ci permetterà di scomporre la luce delle sorgenti luminose in un arcobaleno di colori e scoprire alcune caratteristiche della luce che altrimenti non riusciremmo a vedere. È uno strumento portatile, che gli studenti possono usare quando e dove vogliono, per andare a caccia di spettri.

Obiettivi

Costruire uno strumento portatile che permetta di osservare e studiare gli spettri emessi da varie sorgenti luminose

Obiettivi di apprendimento
  • Composizione della luce e delle sue caratteristiche (lunghezza d'onda);
  • Come funziona un prisma (rifrazione);
  • Spettro continuo e a righe;
  • Meccanismi fisici alla base dell'emissione della luce visibile.
Contesto

La luce è una forma di energia che ci permette di vedere quello che ci circonda. I corpi che “fanno” luce si chiamano “sorgenti luminose” e possono essere di due tipi: naturali e artificiali.

Natural and artificial sources of light

La luce sembra bianca (o meglio, trasparente) ma in realtà è composta da tutti i colori dell’arcobaleno, mescolati insieme. L'occhio umano vede le cose che non emettono luce propria come colorate solo quando la luce (naturale o artificiale che sia) le colpisce e viene in parte riflessa. Per esempio, se avete davanti un oggetto rosso, voi lo vedete rosso perché la luce che lo colpisce viene assorbita tutta tranne il colore rosso, che viene riflesso, entra nei vostri occhi e si fa vedere come tale. Stessa cosa per gli altri colori, a eccezione del nero e del bianco che in realtà non sono colori veri bensì l’assenza o la somma di tutti i colori. Per un oggetto nero, la luce incidente sull’oggetto viene assorbita completamente, per un oggetto bianco, tutti i colori vengono riflessi.

Wavelengths corresponding to different colors

La luce può essere rappresentata comeun'onda e nell'immagine sopra si possono vedere alcune onde che rappresentano i diversi colori della luce. La distanza tra due creste (o tra due valli, o tra due inizi della forma dell’onda) si chiama lunghezza d’onda ed è una caratteristica fondamentale della luce. Ogni colore ha la sua lunghezza d’onda, dalla più corta (il violetto) alla più lunga (il rosso). L’unità di misura riportata accanto al numero è il nanometro e corrisponde a una lunghezza che è un miliardo di volte più corta del metro.

Passando dal violetto al rosso la lunghezza d’onda aumenta e nello stesso spazio “ci stanno” meno onde, proprio perché un ciclo completo occupa più spazio. Si potrebbe fare un’analogia con delle gocce d’acqua che cadono in un bicchiere: ogni volta che arriva un “picco” dell’onda si potrebbe immaginare che questa trasferisca una quantità “fissa” di energia... come se fosse una goccia d’acqua che cade nel bicchiere. In un dato tempo la luce blu trasporta più gocce della luce rossa; ossia, la luce blu trasporta più energia della luce rossa.

Normalmente i colori nella luce sono tutti mescolati e non si riescono a distinguere. Per riuscire a mettere ordine nei colori della luce serve qualcosa in grado di separarli. Potrebbe essere una gocciolina d’acqua, un pezzettino di cristallo (avete presente i lampadari con le gocce di cristallo della nonna?) oppure un “pezzo di vetro” chiamato prisma.

Prism

Il prisma è un oggetto trasparente. Il fascio di luce (bianco) entra e viene “rifratto” (il fenomeno fisico che avviene si chiama “rifrazione”): quando entra nel prisma, ogni colore della luce subisce una deviazione che dipende dalla lunghezza d’onda del colore stesso. Le onde rosse vengono deviate di meno di quelle violette. Stessa cosa succede quando i raggi di luce escono dal prisma. In questo modo, la luce in uscita non è più bianca ma è una fascia di colori ordinati, dal rosso al violetto: l’arcobaleno, che gli scienziati chiamano “spettro”.

Lo spettroscopio che costruiremo funzionerà esattamente come un primsa, scomponendo la luce bianca in diversi colori. Grazie a questo strumento vedrete con i vostri occhi che sorgenti di luce diverse possono avere diverse tipologie di spettri. Osservando la luce del Sole con il vostro spettroscopio (ATTENZIONE: NON BISOGNA MAI OSSERVARE DIRETTAMENTE IL SOLE, NEMMENO CON LO SPETTROSCOPIO!) scoprirete un arcobaleno, mentre le lampadine a risparmio energetico producono solo alcune righe colorate su uno sfondo nero. Quest'ultima figura viene definito spettro a righe a differenza dell’arcobaleno del Sole, chiamato spettro continuo.

The continuous spectrum emitted by the Sun and the linear spectrum by a lamp

Nei due casi presentati, gli spettri sono diversi perché la luce viene emessa da processi fisici diversi. Nel caso del Sole (o di una vecchia lampadina a incandescenza) la luce visibile viene prodotta perché la sorgente è molto calda (migliaia di gradi). Nel caso della lampadina a risparmio energetico, c’è invece un gas (freddo) i cui elettroni, che normalmente orbitano a una certa distanza dai nuclei, vengono eccitati e saltano su orbite più lontane, per poi ricadere dopo poco sull’orbita originale. Facendo questo, emettono luce. Ma la luce che emettono dipende dalla differenza di energia delle due orbite, quindi ha un colore ben preciso, che rappresenta l’energia di quel salto.

Ogni gas, di ogni elemento chimico, ha i suoi elettroni più o meno distanti dal nucleo, e può fare solo certi salti. Quindi lo spettro di un gas (ossia l’insieme delle righe colorate che vengono emesse dagli elettroni di quel gas, nei loro salti) è tipico di quel gas. Solo lui si comporta così e ha quella combinazione di righe colorate (spettro). In questo senso si può dire che lo spettro è l’impronta digitale del gas, di quell’elemento. Se vediamo certe righe, possiamo dedurre quale elemento chimico, o combinazione di elementi, le ha emesse. Capite quindi perché è importante guardare gli oggetti celesti con uno spettroscopio: permette di capire di cosa sono fatti. In realtà, in ambito astronomico, questo strumento è molto più potente: non solo ci permette di capire quali elementi costituiscono la sorgente, ma riusciamo anche a derivare la sua temperatura, la densità del gas e se si sta avvicinando o allontanando da noi.

Materiali
  • Forbici, righello, biro, scotch, colla, cartoncino nero A4, un CD o DVD (può essere di qualsiasi tipo: nuovo/registrato/video ma la superficie va eventualmente pulita);
  • Una stampa del foglio con lo spettroscopio da ritagliare (stampare in scala 1:1, non adattando alla dimensione della pagina);
  • Cutter (o taglierino) che deve essere usato da un adulto per motivi di sicurezza.
Descrizione completa

Ecco un video tutorial con le istruzioni per assemblare e usare il tuo spettroscopio:

Costruisci lo spettroscopio

Per prima cosa, attaccate il foglio su cui è stampato lo spettroscopio su un cartoncino nero. È importante che sia nero perché l’interno

dello spettroscopio che andremo a costruire non deve riflette la luce che entra. Usate preferibilmente una colla stick, dando una mano Questolesigtogeusra d(seei ncozoakciersepaerer ogfrfruirmviiusnual mfoiglior)e. navigazione. Leggi come utilizziamo i cookies.

Con le forbici, ritagliate la forma riportata sul foglio, lungo le linee continue del suo bordo. Mi raccomando, non tagliate lungo le linee tratteggiate. Adesso vi serve l’aiuto di un adulto, solo per qualche minuto. Vedete le due piccole fenditure strette e lunghe? Bisogna ritagliarle con un cutter (un taglierino), per creare due fessure sottili (proprio come è indicato). I tagli devono essere precisi, stando sulle linee, e belli dritti.

A questo punto dobbiamo piegare tutte le linee tratteggiate che vedete. Le pieghe però devono essere perfette. Vi svelo un trucco per farle perfette: prendete un righello e accostatelo sulla riga tratteggiata. Con una biro (non importa il colore, basta che abbia la punta di una biro) andate avanti e indietro 5 volte, premendo sul cartoncino. Vedrete che alla fine, quando andrete a piegare il cartoncino, si piegherà perfettamente. Fate così per tutte le righe tratteggiate, sia quelle con il tratteggio corto che quelle con il tratteggio misto (le due alette laterali).

Ora si piega: dove c’è il tratteggio corto, piegate verso il basso. Le due alette invece (tratteggio misto) piegatele verso l’altro.

Preparate una striscia di scotch di circa 5 cm. Chiudete lo scatolino in corrispondenza delle due alette corte e mettete lo scotch sotto la fenditura (non copritela, mi raccomando) in modo che lo scatolino stia ben chiuso.

Preparate un pezzo di scotch lungo circa 10 cm.

Adesso prendete il CD/DVD e infilate un dito nel buco centrale, tenendo la parte che riflette rivolta verso l’alto. Poi inserite il CD/DVD nello scatolino, come se fosse il becco di un’anatra che se lo vuole mangiare.

La linguetta piccolina deve abbracciare il CD/DVD. Nella parte sottostante, tirate un pochino il cartone verso la linguetta e usate lo scotch per tenerle ferme entrambe, partendo dalla linguetta e arrivando all’altro pezzo di cartoncino, sotto alla scatolina. Mettete due pezzi di scotch anche sulle ali laterali, in modo che siano fissate bene sul CD/DVD e che non entri luce.

Controllate che, a parte le due fenditure, non ci siano altri spiragli dai quali possa entrare luce nello scatolino.

Usa il tuo spettroscopio per andare a caccia di spettri

Ora che avete costruito il vostro strumento, vediamo come si usa. In una delle due fenditure c’è scritto occhio. Rivolgetevi verso una sorgente luminosa, come ad esempio la lampada della stanza in cui siete. Tenete il CD/DVD con una o due mani, come preferite, davanti a voi e inclinatelo di circa 45 gradi, con la fenditura con su scritto “occhio” rivolta verso di voi. Accostate l’occhio alla fenditura e guardate dentro allo spettroscopio, la superficie del CD/DVD. Dovreste vedere lo spettro della luce che state osservando. Se non lo vedete, inclinate il CD/DVD piano piano, finché non lo trovate!

Una sorgente molto semplice da osservare è il Sole ma attenzione: non puntate lo spettroscopio direttamente verso il Sole, basta puntarlo verso il cielo (azzurro o nuvoloso che sia).

Valutazione

Utilizzando lo spettroscopio costruito, l'insegnante può proporre di osservare diverse sorgenti luminose, naturali o artificiali e verificare se lo studente riconosce lo spettro (a righe o continuo). In funzione dell’età degli studenti, si può anche verificare la comprensione dei meccanismi di emissione delle righe spettrali.