Come costruire uno spettroscopio

Uno spettroscopio è un dispositivo che mostra lo spettro della luce. Le prime versioni avevano una fessura, un prisma e uno schermo con segni per indicare varie lunghezze d’onda o frequenze; le versioni successive sono state calibrate con rivelatori elettronici. Sebbene l’apparato usato da Isaac Newton nel suo lavoro sullo spettro della luce possa essere considerato uno spettroscopio grezzo, è generalmente riconosciuto che lo spettroscopio fu inventato da Gustav Kirchhoff e Robert Bunsen intorno al 1860. Ecco come costruire un semplice spettroscopio a reticolo di diffrazione usabile per esperimenti.

Molte persone fanno confusione fra spettroscopio, spettrofotometro, spettrometro, spettrografo. Uno spettroscopio è qualcosa che viene utilizzato per studiare le proprietà della luce, e nella sua forma più semplice – come quella illustrata in questo articolo – si limita a mostrare lo spettro della luce. Uno spettrofotometro è un dispositivo che misura, invece, lo spettro di assorbimento di un campione, cioè l’intensità luminosa emergente in funzione della lunghezza d’onda (nel visibile, UV o IR).

Uno spettrometro è qualsiasi strumento utilizzato per sondare una proprietà della luce in funzione della sua porzione di spettro elettromagnetico: in genere la sua lunghezza d’onda, frequenza o energia. La proprietà misurata è di solito l’intensità della luce emessa, ma possono anche essere misurate altre variabili, come ad es. la polarizzazione. Tecnicamente, uno spettrometro può funzionare su qualsiasi raggio di luce, ma la maggior parte opera in una particolare regione dello spettro elettromagnetico.

Uno spettrometro (a sinistra) può misurare lo spettro di emissione di una sorgente, poiché la luce viene focalizzata sulla sua fessura di ingresso, dispersa e registrata a diverse lunghezze d’onda. Le linee spettrali di idrogeno, elio e carbonio (a destra). Ogni elemento chimico ha uno spettro di emissione unico, ben visibile ad es. tramite un tubo a scarica.

Uno spettrometro è qualcosa che può essere usato, ad esempio, per misurare la presenza di un particolare composto o elemento chimico in una molecola. Tale presenza viene misurata sotto forma di intensità e il grafico generato è chiamato “spettro”. Ad es., uno spettrometro di massa misura il composto o la proteina presente in una molecola usando il loro rapporto massa/carica per generare lo spettro. Sia lo spettroscopio sia lo spettrometro generano uno spettro: la differenza sta nelle loro applicazioni.

Uno spettrografo, invece, è uno strumento che separa la luce in entrata dalla sua lunghezza d’onda, come uno spettroscopio, ma poi registra lo spettro risultante in un rivelatore, come ad es. una lastra fotografica. Molte osservazioni astronomiche usano i telescopi accoppiati a uno spettrografo. Uno spettrometro genera uno spettro misurando l’intensità della luce in entrata a una gamma di lunghezze d’onda in incrementi graduali; uno spettrografo, invece, genera uno spettro in una volta sola.

I primi spettroscopi utilizzavano prismi che dividevano la luce per rifrazione, piegando le onde luminose mentre attraversavano il vetro. Un buon esempio di rifrazione è un arcobaleno, in cui la luce solare passa attraverso le gocce di pioggia e si divide nei suoi diversi colori. Gli spettroscopi moderni sostituiscono il prisma con sottili fessure chiamate reticolo di diffrazione. Essi diffondono la luce di diverse quantità alle diverse lunghezze d’onda, il che rende possibile misurare le lunghezze d’onda.

Un prisma può scomporre la luce bianca nello spettro della luce visibile. Puoi acquistare dei bellissimi prismi in vetro per uso didattico qui.

I due tipi di spettroscopi ed i reticoli di diffrazione

Esistono, fondamentalmente, due tipi di spettroscopi, ciascuno con le sue caratteristiche:

Spettroscopi a prisma (basati sulla dispersione) – La luce entra attraverso una fessura stretta (alcuni modelli consentono di regolare la larghezza della fessura) e viene quindi dispersa attraverso una serie di prismi. Alcuni modelli hanno una scala integrata. Essendo basati sulla dispersione, l’area blu dello spettro è più diffusa e le parti rosse sono più condensate rispetto ai tipi con reticolo di diffrazione.

Spettroscopi a reticolo di diffrazione (basati sulla diffrazione) – Lo spettroscopio a reticolo di diffrazione si basa sul principio di diffrazione. La luce entra attraverso una fessura stretta e viene quindi diffratta da un sottile film di materiale reticolo di diffrazione. Ciò produce un’immagine di spettro lineare con una vista generalmente più grande della parte rossa rispetto a uno spettroscopio a prisma.

Differenze fra uno spettroscopio a prisma e uno a reticolo di diffrazione.

La griglia o reticolo di diffrazione di uno spettroscopio o spettrometro determina (in parte) la risoluzione ottica che può essere raggiunta dallo spettrometro e la massima efficienza per un determinato intervallo di lunghezze d’onda, ed inoltre determina anche l’intervallo di lunghezze d’onda. Pertanto, la selezione del reticolo di diffrazione corretto per i nostri scopi rappresenta un fattore importante per ottimizzare lo strumento in modo da ottenere i migliori risultati spettrali per l’applicazione.

Esistono due tipi di reticoli di diffrazione: reticoli olografici e reticoli rigati. I reticoli rigati (o ruled) vengono sviluppati incidendo diverse scanalature parallele sulla superficie di un substrato e quindi rivestendolo con un materiale altamente riflettente. I reticoli olografici vengono sviluppati interferendo con due raggi UV per creare un indice sinusoidale di variazione di rifrazione in un pezzo di vetro ottico. Questa tecnica fornisce una risposta spettrale più uniforme, ma un’efficienza complessiva assai inferiore.

Le scanalature di un compact disc (CD) o  di un DVD possono fungere da reticolo rigato e produrre riflessi iridescenti.

Sebbene i reticoli rigati siano i reticoli più semplici ed economici da produrre, esibiscono molta più luce diffusa, che è causata da imperfezioni superficiali e altri errori nel periodo della scanalatura. Pertanto, i reticoli olografici vengono generalmente scelti per migliorare le prestazioni della luce diffusa nelle applicazioni spettroscopiche (come la spettroscopia UV) in cui la risposta del rivelatore è più scarsa e l’ottica subisce gravi perdite. Si possono acquistare facilmente online, ad es. qui.

Vi sono due parametri importanti in un reticolo: la frequenza della scanalatura e l’angolo di fiammata. La quantità di scanalature per mm nel reticolo di diffrazione, in particolare, determina la quantità di dispersione. Ciò è comunemente noto come frequenza di scanalatura o densità di scanalatura. La copertura della lunghezza d’onda da parte dello spettroscopio/spettrometro è determinata dalla frequenza della scanalatura del reticolo, che è anche un fattore chiave nella risoluzione spettrale.

La copertura della lunghezza d’onda di uno spettroscopio è inversamente proporzionale alla dispersione del reticolo (e dunque al numero di scanalature per mm), a causa della sua geometria fissa. Tuttavia, maggiore è (il numero di scanalature per mm e quindi) la dispersione, maggiore è il potere risolutivo dello spettrometro. D’altro canto, la riduzione della frequenza della scanalatura riduce la dispersione e aumenta la copertura della lunghezza d’onda a scapito della risoluzione spettrale.

Due reticoli di diffrazione olografici. Li trovate in vendita sul web, ad es. qui.

Ad esempio, se si fosse selezionato, per il proprio spettroscopio o spettrometro, un reticolo di diffrazione con 900 linee / mm, esso coprirebbe un intervallo di lunghezze d’onda di 370 nm, con una risoluzione ottica di 0,5 nm. Allo stesso modo, se si dovesse scegliere un reticolo da 600 linee / mm, fornirebbe fino a 700 nm di copertura della lunghezza d’onda con una risoluzione ottica di solo 1,0 nm. Come si può vedere, la copertura della lunghezza d’onda è aumentabile sacrificando la risoluzione ottica.

Nel caso di uno spettrometro, l’intervallo spettrale massimo dello strumento è determinato non solo dalla densità della scanalatura (1/d, dove d è il periodo della scanalatura), ma anche dalla lunghezza focale (F) dello specchio di focheggiamento (vedi figura) e dalla lunghezza del rivelatore (L_D, calcolabile moltiplicando il numero totale di pixel sul rivelatore (n) e la larghezza dei pixel (W_p). Tipicamente, il potere risolutivo del reticolo è assai superiore al potere risolutivo complessivo dello spettrometro.

Spettrometro con reticolo di diffrazione concavo che agisce da specchio di focheggiamento. Uno dei vantaggi dei reticoli olografici è che si formano facilmente su superfici concave, consentendo loro di operare contemporaneamente sia come ottica di focalizzazione che come elemento dispersivo.

Va notato che la lunghezza d’onda più lunga ad essere diffratta da un reticolo è 2d, ponendo un limite superiore λ_sup sulla sua gamma spettrale: ad es., se la densità della scanalatura è di 900 linee / mm, il limite superiore della gamma spettrale è dato da λ_sup = 2 x (1/1000) = 0,002 mm = 2000 nm (infrarosso vicino). Questa limitazione della lunghezza d’onda più lunga può limitare la densità massima della scanalatura consentita in uno spettrometro per applicazioni nel vicino infrarosso (NIR).

Poiché una griglia diffonde la luce policromatica incidente, non lo fa con efficienza uniforme. L’angolo di sfaccettatura della scanalatura, noto anche come “angolo di fiammata”, determina la forma complessiva della curva di diffrazione. Così è possibile calcolare quale angolo di fiammata corrisponderà a quale efficienza di picco: ciò è noto come la lunghezza d’onda della fiamma. La figura illustra questo concetto e confronta tre diversi reticoli da 150 linee / mm con picco a 500 nm, 1250 nm e 2000 nm.

L’efficienza di diversi reticoli al variare della lunghezza d’onda della luce incidente.

Come realizzare uno spettroscopio a reticolo

Lo spettroscopio a reticolo di cui ora illustreremo la costruzione – basato su un reticolo di diffrazione olografico come quelli che trovi ad es. qui – è semplice, ma se assemblato con cura può produrre eccellenti risultati qualitativi. Il materiale occorrente per costruire uno spettroscopio di questo tipo è:

• Una scatola di pasta
• Un reticolo di diffrazione olografico (da non più di 600 linee/mm)
• Un paio di forbici
• Un rotolo di nastro adesivo
• Una penna

Lo spettroscopio a reticolo di diffrazione olografico che ci accingiamo a illustrare.

Ecco invece la semplice procedura da seguire per realizzare lo spettroscopio:

1. Seleziona un’estremità della scatola di pasta e chiudi i lembi. Posiziona un reticolo di diffrazione su questa estremità e delineala con un evidenziatore. Questa sarà la parte anteriore del tuo “Spettroscopio”.
2. Apri i lembi e taglia un buco più piccolo della dimensione del tuo contorno nella scatola di pasta. Se le linee spettrali non sono verticali, è necessario ruotare il reticolo di 90 gradi.
3. Fissa con un nastro adesivo le alette della scatola di pasta in modo che siano chiuse. Disponi il reticolo di diffrazione con il lato giusto rivolto verso l’alto (in modo da poter leggere l’etichetta), quindi fissalo con il nastro sul foro appena tagliato. Assicurati di poter guardare attraverso il reticolo e vedere dentro la scatola.
4. Ruota la scatola in modo che ora guardi l’estremità opposta (questo sarà il retro del tuo “Spettroscopio”). Chiudi i due lembi e traccia una linea al centro (dall’alto verso il basso, non lateralmente). La linea dovrebbe essere direttamente opposta al reticolo di diffrazione e centrata.
5. Taglia lungo il segno che hai appena creato, facendo una fessura molto, molto stretta nella scatola. Piuttosto che tagliare una fessura in una scatola usando una lama di rasoio, lega un paio di strisce di plastica su un foro più grande a fare un ingresso molto stretto e uniforme per la luce.
6. Chiudi e fissa le alette sul retro della scatola. Punta la fessura verso la sorgente luminosa e le linee spettrali verranno proiettate sul lato della scatola.
7. Ricopri con carta nera la zona della scatola dove viene proiettato lo spettro. Hai finito! Guarda nella scatola attraverso il reticolo del tuo spettroscopio per vedere lo spettro della luce. Uno spettro di colori dovrebbe apparire all’interno della scatola accanto alla fessura.
8. Se lo spettro non viene visualizzato, ruota il reticolo di 90°, in modo tale che lo spettro sia parallelo alla fessura, e riprova.

Le varie fasi di realizzazione dello spettroscopio illustrato nel testo.

Ora possiamo usare lo spettroscopio appena costruito per separare varie sorgenti di luce nelle loro varie singole lunghezze d’onda. Scopriremo che diversi tipi di sorgenti luminose presentano differenti schemi spettrali e che lo spettroscopio può essere usato come strumento per identificare elementi sconosciuti che producono luce (come ad es. gas nelle lampade o elementi chimici nelle stelle). Ecco una serie di esperimenti che puoi fare con il tuo spettroscopio nel ns. articolo che trovi qui.

Luci fluorescenti, a led, lampadine a incandescenza, lampadine colorate, candele accese, la fiamma di un bruciatore di Bunsen, le insegne al neon e il cielo (ma non il Sole) sono tutte buone potenziali fonti. Puoi anche provare a posizionare un vetro colorato o della plastica colorata davanti a una fonte di luce bianca. Non guardare MAI il sole o la luce laser attraverso il tuo spettroscopio, poiché anche se la fenditura è stretta entrambe queste fonti possono causare danni permanenti all’occhio.

Foto a breve esposizione dello spettro di una vecchia lampada fluorescente, con quattro delle righe di emissione del mercurio visibili nella sua luce fluorescente.

Consigli utili e possibili variazioni sul tema

La larghezza della fenditura dello spettroscopio dovrebbe essere molto piccola: 0,4 mm o meno (in ogni caso, non più di 1 mm o l’immagine diventerà sfocata). Se tu guardi nella scatola attraverso l’altro foro (il foro rettangolare di visualizzazione) con il lato opposto verso una fonte di luce – come ad es. un tubo al neon fluorescente (non deve essere MAI il sole o un laser!) – dovresti vedere una sottile striscia di luce verticale che passa attraverso la fessura tra i bordi di plastica o di metallo e illumina il reticolo di diffrazione.

Puoi realizzare uno spettroscopio anche usando una scatola di pasta e un CD o un DVD, anziché un reticolo di diffrazione olografico: la luce si riflette attraverso il reticolo di diffrazione rigato del CD o DVD producendo uno spettro. Infatti, il disco di un CD o DVD contiene informazioni codificate come delle fosse in anelli concentrici sulla sua superficie, per essere lette da un raggio laser quando il disco gira. Gli anelli possono fungere da reticolo di diffrazione quando la luce li colpisce.

Schema tipico di un semplice spettroscopio basato su CD o DVD (a sinistra) e una delle tante possibili implementazioni pratiche (a destra).

Taglia una fessura da 3 cm sul lato superiore della scatola di pasta (dal lato delle informazioni nutrizionali) centrata di circa 8 cm verso il basso. Rendi la fessura abbastanza aperta in modo che la luce possa entrare. Posiziona due lame di rasoio con bordi affilati una di fronte all’altro sulla fessura e nastro adesivo verso il basso. Al posto delle lame di rasoio, puoi usare due fogli di alluminio, cioè di comune “carta stagnola”. Assicurati solo che i bordi del foglio siano tagliati in modo pulito.

Taglia poi una fessura attraverso il lato opposto della scatola (lato superiore in alto) ed estendila mentre tagli con un angolo di 30 gradi su entrambi i lati della scatola sopra l’orizzontale. Usa un goniometro stampabile per aiutarti a tagliare l’angolo di 30 gradi. Inserisci un CD con il lato lucido rivolto verso l’alto in questa fessura. A 3 cm dal lato della parte superiore della scatola situata sopra il CD, taglia una finestra di visualizzazione di circa 4 x 2,5 cm. Ora il tuo spettroscopio fai-da-te è pronto!

Quando la luce colpisce il CD o il DVD, viene riflessa a causa del rivestimento lucido, ma viene diffratta a causa del modo in cui si riflette sul fondo del disco. È così che la luce bianca che entra nella fessura sul lato della scatola diventa lo spettro di colori che vedi quando guardi attraverso la finestra di visualizzazione. Dunque i CD ed i DVD possono essere utilizzati come reticolo di diffrazione per dimostrare l’effetto in questione riflettendo la luce solare diretta su di essi su un muro bianco.

Con il CD/DVD la geometria dello spettro non è lineare come con reticolo normale, ma tende a essere leggermente circolare, dato che coinvolge dei piccoli archi di circonferenza.

Per rendere questo un dispositivo quantitativo, cioè per poter effettuare misurazioni sugli spettri, è necessario calibrarlo. Se possibile, metti un segno a matita intorno alla regione occupata dallo spettro. Ritaglia la regione che hai contrassegnato e centra il pezzo di carta millimetrata sopra l’apertura, fissandolo in posizione all’esterno della scatola. Usando una luce fluorescente, segna attentamente la posizione delle prominenti linee verdi e viola (altre possono essere usate se sai le loro lunghezze d’onda).

La linea verde, infatti, ha una lunghezza d’onda di 546 nm e la linea viola una lunghezza d’onda di 436 nm. Conta le linee della griglia di carta millimetrata tra i segni di queste due linee. Scrivi i corrispondenti numeri di lunghezza d’onda sulla griglia, in modo che i valori di lunghezza d’onda delle eventuali nuove linee di emissione osservate possano essere letti direttamente dalla griglia di carta millimetrata durante l’utilizzo dello spettroscopio. Infine, cerca una scatola rigida per il tuo spettroscopio.

Volendo, puoi realizzare uno spettroscopio meno ingombrante e facilmente trasportabile a partire da un tubo, ad esempio da un tubo di cartone, che può essere  un rotolo di carta igienica o di note patatine fritte. In tal caso, dovrai rivestire l’interno del tubo di cartone con carta nera, e la fessura e il reticolo di diffrazione o il CD/DVD  andranno collocati in modo opportuno (v. figura per il caso del CD/DVD . Per poter vedere meglio lo spettro, puoi fare il buio nella stanza o guardare lo spettro con la testa coperta da un telo scuro.

Un semplice spettroscopio realizzato con un comunissimo tubo e un CD o DVD.