Leggi di Kirchoff: spettroscopia

Quando un fascio di luce viene fatto passare attraverso un prisma o un reticolo di diffrazione essa viene scomposta nelle sue componenti a seconda della loro diversa lunghezza d’onda ottenendosi uno spettro. Lo studio degli spettri permette di individuare una certa specie chimica , infatti, secondo il modello atomico di Bohr  un atomo possa assorbe o emette una radiazione elettromagnetica  di lunghezza d’onda ben determinata che cambia a seconda dell’elemento o ione che si osserva specie aventi temperature o composizioni diverse emettono spettri diversi. L’analisi degli spettri viene fatta, oltre che dai chimici anche dagli astronomi che traggono preziose indicazioni in relazione alla temperatura, oltre che alla composizione chimica di un corpo celeste.

Gustav Kirchoff ottenne empiricamente tre leggi che spiegavano come interagissero la luce e la materia. Egli notò che si possono presentare tre tipi di spettri a seconda delle condizioni:

–          Spettri continui

–          Spettri di emissione a righe

–          Spettri di assorbimento a righe

Uno spettro continuo è caratterizzato dalla presenza di una striscia luminosa formata da una successione di zone colorate che sfumano con gradualità l’una nell’altra. Uno spettro non continuo è caratterizzato dalla presenza di righe dette righe spettrali che può essere di emissione se le sostanze in opportune condizioni emettono radiazioni di particolare lunghezza d’onda o di assorbimento se si verifica l’assorbimento di determinate lunghezze d’onda.

spettri

Le tre leggi di Kirchoff, dette leggi della spettroscopia  sono le seguenti:

1) Prima legge: un corpo solido o liquido o un gas denso, portati all’incandescenza, emettono radiazioni a tutte le lunghezze d’onda dando uno spettro continuo come nel caso del corpo nero, materiale che emette una radiazione contenente tutte le lunghezze d’onda

2) Seconda legge: un gas rarefatto incandescente dà uno spettro di emissione continuo emettendo radiazioni a determinate lunghezze d’onda tipiche degli elementi o dei composti presenti nel gas

3) Terza legge: un gas rarefatto, di fronte a una sorgente di radiazione continua a temperatura maggiore dà uno spettro di assorbimento a righe alle stesse lunghezze d’onda presenti nello spettro di emissione.

Quando Kirchoff formulò le sue leggi non conosceva l’esistenza dei livelli energetici presenti negli atomi che furono solo successivamente ipotizzati da Bohr.

Solo successivamente Wilhelm Wien nell’ambito dei suoi studi elaborò un’espressione che permette di calcolare esattamente la lunghezza d’onda  λmax del picco di emissione da parte di un corpo nero in funzione della sua temperatura T:

λmax T = b

essendo b una costante di proporzionalità detta costante di Wien pari a 2.89777 ∙10-3 m K. La proporzionalità inversa tra λmax  e T suggerisce che tanto più caldo è un oggetto, tanto più piccola è la lunghezza d’onda a cui emetterà radiazione .

Tale equazione è stata largamente impiegata nell’ambito dell’interpretazione degli spettri stellari al fine di determinare la temperatura superficiale dei corpi celesti: ad esempio se la lunghezza d’onda del picco di una stella corrisponde a 502 nm allora la sua temperatura T è pari a:
T = b/ λmax = 2.89777 ∙10-3 m K/ 5.02∙10-7 m = 5778 K

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Author: Chimicamo

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