Radiazioni elettromagnetiche: interazione con la materia

Lo studio delle radiazioni elettromagnetiche assume, per un chimico, particolare importanza in quanto una branca dell’analisi strumentale si basa sull’interazione radiazione-materia.

Le tecniche spettroscopiche utilizzano questa interazione per ottenere informazioni sulla struttura del campione esaminato.

Le radiazioni elettromagnetiche sono una forma di energia il cui comportamento è descritto da proprietà sia ondulatorie che corpuscolari. Infatti alcune proprietà della radiazione elettromagnetica come la rifrazione possono essere descritte dalla sua natura ondulatoria mentre altre proprietà come l’assorbimento e l’emissione vengono descritte tramite la sua natura corpuscolare.

Proprietà delle radiazioni elettromagnetiche

La radiazione elettromagnetica è una variazione periodica del campo elettrico e magnetico che si propaga nello spazio alla velocità della luce. Un’onda elettromagnetica si muove nel vuoto con un’oscillazione sinusoidale in cui il campo elettrico e quello magnetico sono perpendicolari tra loro e nei confronti della direzione dell’onda.

Un’onda elettromagnetica è caratterizzata da:

  • Velocità c che nel vuoto è pari a 3 · 108 m/s
  • Ampiezza A ovvero la distanza tra il massimo dell’onda e la direzione di propagazione
  • Lunghezza d’onda λ ovvero la distanza tra due creste adiacenti
  • Frequenza ν che è il numero di cicli completi di un’onda che passano per un punto in un secondo. Si misura in cicli al secondo, ovvero in Hertz (Hz)
  • Numero d’onda k che è il reciproco della lunghezza d’onda

La relazione tra lunghezza d’onda e frequenza è λ = c/ν.

spettro elettromagnetico
spettro elettromagnetico

Radiazioni elettromagnetiche di lunghezze d’onda diverse da quelle della luce visibile furono scoperte all’inizio del XIX secolo. L’astronomo tedesco Frederick William Herschel nel 1800 scoprì i raggi I.R. e nel 1801 il fisico e chimico tedesco Johann Wilhelm Ritter scoprì il raggi U.V.

Interazione radiazione materia

L’interazione tra radiazione e materia può essere compresa assumendo che la radiazione sia costituita da un fascio di particelle dette fotoni. Quando un atomo viene colpito da una radiazione elettromagnetica avviene una collisione tra fotoni e elettroni dell’atomo con conseguente acquisto di energia da parte dell’elettrone.

L’energia del fotone, espressa in joule, è relazionata alla sua frequenza, lunghezza d’onda e numero d’onda tramite le seguenti uguaglianze:
E = hν = hc/λ =hck

Dove h è la costante di Planck il cui valore è pari a 6.626 · 10-34  J · s

Una misura spettroscopica è possibile solo se l’interazione del fotone con il campione è tale da determinare la variazione di una o più proprietà caratteristiche.

A seconda della frequenza, ovvero dell’energia, delle radiazioni si sono sviluppate tecniche diverse. Si riportano in tabella le principali tecniche di assorbimento, emissione, fotoluminescenza e chemiluminescenza associate al tipo di radiazione:

Regione dello spettro e.m. Tecnica spettroscopica
Raggi γ Spettroscopia Mossbauer
Raggi X Spettroscopia ai raggi X

Fluorescenza di raggi X

U.V./Visibile Spettroscopia U.V./Visibile

Fluorescenza

Fosforescenza

Chemiluminescenza

I.R. Spettroscopia I.R.

Spettroscopia Raman

Microonde Spettroscopia a microonde
Onde radio Risonanza di spin elettronico

Risonanza magnetica nucleare

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