L’emissione di luce o di
altra radiazione elettromagnetica da parte di un gas
avviene fondamentalmente per due fenomeni, l’uno a natura
prettamente continua (spettro continuo), l’altro a natura
discreta (spettro a bande).
Lo spettro di emissione continuo e’ caratteristico di
tutti i corpi che si trovano ad un certa temperatura al
di sopra dello zero assoluto. In fin dei conti e’ il
motivo per cui avvicinandoci ad un termosifone sentiamo
calore (e questo avviene anche in assenza d’aria). Ed e’
anche il motivo per il quale una lampadina ad
incandescenza e’ in grado di illuminarsi. Ogni corpo
emette infatti uno spettro continuo, a tutte le
frequenze.
Questo spettro dipende
sostanzialmente dalla temperatura, ed in misura minore
dal tipo di materiale che emette (in questo caso gas).
All’aumentare della temperatura aumenta l’intensita’
della radiazione elettromagnetica a frequenze maggiori. A
temperatura ambiente il massimo dell’emissione avviene
nell’infrarosso ed e’ questo il motivo per cui non e’
visibile alla vista (mentre e’ visibile alle telecamere
che “vedono il calore nel buio”).
All’aumentare della temperatura il massimo dell’emissione
diventa visibile (ed e’ per questo che riscaldando molto
qualcosa, come un tizzone ardente, oppure di nuovo il
filamento della lampadina, l’emissione diventa luminosa,
prima rossa, poi gialla, infine bianca). Non
approfondisco qui il motivo per cui un corpo ad una certa
temperatura deve emettere radiazione elettromagnetica;
basti sapere che la descrizione dettagliata di questo
fenomeno e’ uno dei tanti successi della fisica
quantistica, ma una sua spiegazione meno precisa e’
possibile anche nell’ambito della fisica classica.
Il fenomeno di natura discreta e’ l’emissione di uno
spettro a bande.
La natura di questo
spettro e’ stata indagata agli inizi del secolo. Queste
indagini si sono rivelate fondamentali per la
comprensione quantistica della materia; oggi la teoria
riesce a descrivere con precisione strabiliante tutti i
dettagli delle righe di emissione della materia (in
particolar modo dei gas, che sono piu’ facili da
calcolare).
Il motivo per cui si hanno questi due tipi di emissione
e’ insito nella natura atomica-molecolare della materia.
Dimentichiamo percio’ per un attimo la domanda sullo
spettro di emissione del gas e guardiamo come e’ fatta
una molecola: essenzialmente e’ costituita da alcuni
nuclei e da molti elettroni (un atomo e’ costituito da un
solo nucleo e percio’ con esso e’ piu’ facile fare i
conti quantitativi; dal punto di vista concettuale
cambiano solo le poche cose che dipendono dalla
“forma” generale del sistema, che nel caso di
una molecola e’ ovviamente piu’ complessa).
stesso atomo) puo’ “disporsi” in molti modi
diversi, a seconda della posizione dei nuclei e degli
elettroni. L’intuizione fondamentale che ha permesso di
costruire tutte le teorie quantistiche e’ che gli unici
stati davvero esistenti in natura non sono tutti quelli
possibili, ma solo alcuni ben definiti (e calcolabili
piu’ o meno difficilmente tramite delle apposite
equazioni). Una molecola od un atomo puo’ trovarsi in uno
od un altro di questi stati. Tipicamente lo stato stabile
e’ uno solo, cosidetto “fondamentale”, gli
altri sono “stati eccitati”, come si usa dire.
Una molecola “eccitata” decade nello stato
fondamentale: in questa transizione libera l’energia in
eccesso, a volte sotto forma di luce di un colore ben
preciso. Ecco allora perche’ lo spettro di emissione di
un gas puo’ essere a bande: se si riesce ad eccitare gli
atomi o lo molecole che costituiscono il gas, queste si
diseccitano emettendo alcune righe caratteristiche.
A questo punto posso rispondere alla domanda: alla
pressione atmosferica qual’e’ lo spettro di emissione di
un certo gas?
La domanda e’ incompleta, poiche’ non si parla della
temperatura (che e’ l’aspetto fondamentale dell’emissione
continua) e neppure del modo di eccitazione del gas (che
e’ l’aspetto fondamentale dell’emissione a bande).
Inoltre e’ sottinteso che si intende spettro di emissione
nel visibile.
Come gia’ detto sopra a temperatura ambiente l’emissione
continua nelle frequenze ottiche e’ trascurabile (ma pur
sempre presente). Nell’infrarosso invece l’emissione
continua e’ importante.
A temperature maggiori (migliaia di gradi, come avviene
nel fuoco, per esempio) l’emissione continua e’
dominante.
Uno dei molti modi di eccitare un gas e’ quello di
provocare una scarica elettrica al suo interno. La
pressione e’ importante in questa tecnica di eccitazione,
mentre e’ molto meno importante in altre tecniche;
suppongo quindi che sia sottinteso che l’eccitazione
avvenga con una scarica elettrica. La pressione
atmoferica e’ troppo alta per avere una forte eccitazione
elettrica, pero’ il fenomeno si verifica ugualmente. Lo
spettro e’ quindi a righe. Un modo piu’ efficiente di
misurare questo spettro e’ pero’ quello di abbassare la
pressione.