Interazione radiazione materia

Lo studio dell’interazione radiazione materia costituisce il presupposto per comprendere la branca dell’analisi strumentale attinente la spettroscopia

Una particella può esistere solo in un certo numero di stati quantici, cioè può assumere solo certi valori discreti di energia. Questi livelli energetici possono essere vibrazionali, rotazionali, elettronici, di spin nucleare, di spin elettronico ecc. In condizioni normali la particella si trova in uno stato di minima energia o stato fondamentale. Quando una radiazione colpisce la particella, se l’energia dei fotoni è uguale alla differenza di energia fra lo stato fondamentale e uno stato eccitato la radiazione è assorbita dal sistema ed è utilizzata per passare dallo stato di minore energia allo stato eccitato (assorbimento di energia).

Tipi di transizione

A seconda della energia dei fotoni incidenti, possono di volta in volta essere eccitate transizioni fra stati di spin nucleare (con radiazioni dell’ordine di 10^-3 – 10^-4 cm^-1 siamo nel campo della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare); fra stati di spin elettronico (con energia dell’ordine di 1- 10^-1 cm^-1 siamo nel campo della spettroscopia di risonanza magnetica elettronica) ; fra stati vibrazionali e rotazionali (con energia dell’ordine di 10²-10³ cm^-1 siamo nel campo della spettroscopia I.R. e di microonde); fra stati elettronici ( con energia dell’ordine di 10⁴– 10⁵ cm^-1 siamo nel campo della spettroscopia visibile e U.V.).

Con radiazioni di energia ancora superiore, come ad esempio i raggi X (10⁶– 10⁸ cm^-1) , l’interazione avviene con un meccanismo diverso. Una parte di queste radiazioni può essere riflessa dalla sostanza senza assorbimento di energia.

Poiché ad ogni sistema atomico è associata una distribuzione caratteristica di livelli energetici, la frequenza di emissione o di assorbimento di una radiazione è una proprietà caratteristica di un certo particolare sistema. Di conseguenza lo studio di questo particolare tipo di interazione della radiazione con la materia permette di ottenere informazioni sulle proprietà elettroniche e nucleari delle particelle che lo costituiscono. L’applicazione di questo principio costituisce la base delle tecniche spettroscopiche.

Frequenza di risonanza

Una radiazione interagisce con una particella anche quando non è in risonanza con essa. In questo caso, tuttavia, non avviene assorbimento di energia da parte della particella. Si può immaginare che un atomo possa comportarsi come un oscillatore classico che può assumere tutte le frequenze di oscillazione possibili. Una sola di queste frequenze, sia essa ν_o corrisponde a quello che nel modello quantomeccanico corrisponde a un salto quantico da un livello energetico all’altro. Questa particolare frequenza di oscillazione è chiamata frequenza di risonanza.

Una radiazione di una certa frequenza ν, diversa da ν_o, che colpisce un atomo, induce questo atomo, che nel modello descritto si comporta da oscillatore, a vibrare con una frequenza uguale a quella della radiazione incidente. La radiazione che l’oscillatore armonico riemette ha, quindi, la stessa frequenza della radiazione incidente, ma fase e ampiezza differenti a seconda della frequenza di quest’ultima. Se ν è molto minore di ν_o , l’ampiezza della radiazione riemessa è minore, ma in fase con quella della radiazione incidente; invece se ν è molto maggiore di ν_o l’ampiezza della radiazione riemessa è ancora minore di quella incidente, ma ha fase opposta.

Se infine ν è uguale a ν_o la radiazione incidente viene assorbita.

Oscillatori elettrici

Esaminano molecole come acqua, ossigeno e metano secondo questo modello. Esse possono essere considerate  come oscillatori elettronici con una frequenza di risonanza maggiore di quella della luce visibile. Queste molecole hanno transizioni elettroniche nell’ultravioletto. Possono essere considerate come oscillatori atomici con frequenza di risonanza minore (frequenza di risonanza dovuta a transizioni vibrazionali). Quando una di queste molecole è colpita da una qualunque radiazione monocromatica compresa tra quelle costituenti la luce visibile, essa si comporta come un oscillatore che vibra con la stessa frequenza e in fase con quella incidente, ma con un’ampiezza minore.

Se, invece di considerare una singola molecola, si considera un insieme di molecole allo stato gassoso , disposte cioè in modo casuale, si può ammettere che l’irraggiamento cui danno origine tutte queste molecole avvenga in maniera indipendente e che quindi l’irraggiamento complessivo sia la somma degli irraggiamenti delle singole molecole. Poiché accade lo stesso fenomeno per tutte le radiazioni che costituiscono lo spettro visibile, una sostanza come acqua, ossigeno e metano riemette tutte le radiazioni della luce visibile in tutte le radiazioni possibili: tale sostanza è, quindi, trasparente alla luce visibile e, quindi, appare incolore.

L’interazione con la materia, in questo caso provoca un ritardo nella propagazione della luce e, quindi, una diminuzione di velocità. Inoltre a causa della riemissione delle radiazioni da parte delle particelle in tutte le direzioni la luce visibile è dispersa.