Il fascino dell’invisibile ai confini della luce Scheda didattica Un arcobaleno ci appare come una spettacolare striscia colorata, ai cui estremi troviamo il colore rosso da un lato ed il violetto dall’altro. Il rosso e violetto rappresentano i confini dell’arcobaleno. Non si tratta di confini netti, ma sfumati: sia il colore rosso che il violetto svaniscono in modo tenue lungo la larghezza. L’arcobaleno, visto da un’ape, sconfina oltre il violetto; visto da una fotocamera, sconfina oltre il rosso. Sappiamo che l’arcobaleno nasce dalla scomposizione della luce solare nelle sue componenti che si distinguono per avere ciascuna una lunghezza d’onda ed una frequenza: parametri caratteristici della luce secondo la teoria ondulatoria; secondo la teoria corpuscolare, un raggio di luce è formato da particelle prive di massa, ma dotate di un’energia che dipende dalla frequenza tramite la legge w = hf, dove w è l’energia del singolo fotone, h è la costante di Planck, che vale 6,63×10-34 Js e f è la frequenza. Le lunghezze d’onda della luce visibile sono comprese fra 380 nm e 760 nm; come già accennato con l’esempio dell’arcobaleno, non si tratta di confini ben marcati, al punto che la letteratura scientifica in alcuni casi individua gli estremi a 400 nm e 750 nm, rispettivamente. Alla lunghezza d’onda λ = 400 nm corrisponde una frequenza f = 750 THz e l’energia di ogni fotone vale 3,1 eV (1 THz = mille miliardi di hertz, 1 eV = 1,602×10-19 J); i raggi dotati di tali caratteristiche ci appaiono violetti. Se aumentiamo la frequenza, quindi l’energia dei fotoni, riducendo la lunghezza d’onda dei raggi, questi diventano invisibili: abbiamo appena superato un confine della luce ottenendo i raggi ultravioletti. I raggi dotati di lunghezza d’onda pari a 750 nm appaiono rossi, hanno una frequenza di 400 THz; ciascun fotone ha un’energia di 1,66 eV. Riducendo la frequenza, quindi l’energia dei fotoni, con conseguente aumento della lunghezza d’onda, attraversiamo l’altro confine della luce visibile, ottenendo i raggi infrarossi. Quando la luce, i raggi infrarossi oppure i raggi ultravioletti colpiscono la materia, gli elettroni dei suoi atomi possono assorbire energia dai fotoni. Questa energia acquistata viene quasi subito riceduta sotto forma di calore, oppure riemettendo luce che può avere la stessa lunghezza d’onda dei fotoni originali (il corpo riflette raggi dello stesso colore della luce incidente), oppure diversa (quasi sempre maggiore): in quest’ultimo caso l'oggetto appare di un colore diverso rispetto a quello della luce che lo colpisce. Se i raggi incidenti sono ultravioletti, l'oggetto sembra emettere luce propria e ci troviamo di fronte al fenomeno della fluorescenza. Per evidenziare la fluorescenza, in un ambiente buio una o più lampade emettono raggi ultravioletti che, essendo invisibili, preservano l'oscurità. I materiali fluorescenti colpiti dai raggi ultravioletti appaiono luminosi. Il colore della luce emessa è caratteristico dei materiali e questa proprietà è utilizzata nel campo della mineralogia. Alcune secrezioni biologiche umane ed animali sono fluorescenti, rendendo così utile questo fenomeno nella criminalogia, dove lampade che emettono raggi ultravioletti sono utilizzate per rilevare tracce di secrezioni biologiche. In campo artistico, pigmenti fluorescenti sono usati per realizzare spettacolari composizioni che emettono luce propria in un buio in cui vi è presenza di raggi ultravioletti. La fluorescenza è ampiamente usata per l'illuminazione: le lampade fluorescenti sono dei tubi, impropriamente chiamati tubi al neon, in cui una scarica elettrica provoca l'emissione di raggi ultravioletti. L'interno delle pareti del tubo è ricoperto da polveri fluorescenti che assorbono i raggi ultravioletti ed emettono luce visibile. Il vetro che costituisce l'involucro del tubo filtra i raggi ultravioletti residui, impedendo che possano creare effetti nocivi all'uomo. Ottenere la fluorescenza con i raggi infrarossi è molto più difficile, poiché i fotoni hanno un'energia troppo bassa per eccitare gli elettroni della materia con energia sufficiente ad emettere luce visibile in fase di diseccitazione. Con l'aumentare della loro energia, i fotoni sono in grado di fornire agli elettroni della materia un'energia sufficiente da attivare reazioni chimiche; nella maggior parte dei casi, ciò avviene ad opera dei raggi ultravioletti, ma non mancano eccezioni, la più importante delle quali è rappresentata dalla fotosintesi clorofilliana che avviene ad opera della luce visibile: in questo caso sono i fotoni della luce blu e rossa a provocare la reazione che permette di ottenere l'ossigeno dall'anidride carbonica. Le foglie, assorbendo dalla luce bianca solare le componenti blu e rosse, riflettono quelle verdi apparendo così di tale colore. I fotoni dei raggi ultravioletti, con l'aumentare della loro energia, provocano reazioni chimiche sui materiali colpiti trasformandoli e, in molti casi, danneggiandoli. Uno dei primi segni di trasformazione è il cambiamento del colore che in molti casi sbiadisce (si parla di viraggio del colore). Questo fenomeno richiede molta attenzione nella scelta delle lampade utilizzate nei musei, dove anche una debole emissione di raggi ultravioletti potrebbe creare danni ad importanti opere d'arte. Cosa fanno i raggi ultravioletti se colpiscono il nostro corpo? L'effetto dipende dall'energia dei fotoni, cioè dalla frequenza e, conseguentemente, dalla lunghezza d'onda. I raggi ultravioletti vicinissimi alla luce visibile sono praticamente innocui, prendono anche il nome di blacklight (luce nera) per la capacità di stimolare quasi esclusivamente la fluorescenza. Con l'aumentare dell'energia i fotoni (la cui lunghezza d'onda diminuisce) iniziano ad interagire con le cellule del nostro organismo. Per meglio classificare tali interazioni, nonché la loro capacità di provocare altre reazioni chimiche sui materiali, i raggi ultravioletti sono stati suddivisi in diverse regioni spettrali, come riportato nella tabella sottostante. Denominazione UV-A/blacklight UV-B UV-C Near UV Middle UV Far UV Extreme UV λ [nm] 320..380 280..320 100..280 300..380 180..300 100..180 10..100 f [THz] 789..938 938..1071 1071..3000 789..1000 1000..1670 1670..3000 3000..30000 E [eV] 3,26..3,89 3,89..4,43 4,43..12,4 3,26..4,14 4,14..6,89 6,89..12,42 12,4..124 La prima colonna della tabella riporta la denominazione, la seconda la lunghezza d'onda, la terza la frequenza, la quarta l'energia dei fotoni. I raggi ultravioletti che dal sole giungono sulla terra sono solo gli UV-A (in gran parte) e gli UV-B (in parte molto minore); i raggi dai fotoni più energici a partire dagli UV-C sono assorbiti dall'atmosfera, che pertanto ci protegge dalla radiazione solare più dannosa. I raggi UV-B stimolano la produzione di vitamina D giustificando così l'importanza di esporsi al sole -senza eccessi- durante le giornate serene. Gli stessi raggi UV-B stimolano la melanogenesi nei melanociti, che sono delle cellule cutanee in grado di produrre una sostanza chiamata melanina. Sotto l'azione dei raggi UV-A la melanina già prodotta dai melanociti viene liberata, diffonde verso la superficie della pelle e grazie ancora all'azione dei raggi UV-A e dell'ossigeno, cambia colore diventando più scura. E' stato appena descritto il meccanismo dell'abbronzatura, a cui concorrono sia i raggi UV-A che i raggi UV-B; questi ultimi sono i diretti responsabili della produzione di melanina, quindi, rispetto agli UV-A, creano un'abbronzatura più duratura. Infatti, i raggi UV-A si limitano a stimolare il rilascio e la trasformazione della melanina già esistente. Una dose assorbita eccessiva di raggi ultravioletti aumenta il rischio di tumori cutanei, creando delle alterazioni del DNA. Una reazione dell'organismo alla distruzione delle cellule causata dai raggi ultravioletti è quella di aumentare l'afflusso di sangue verso le cellule danneggiate, a scopo di ripararle e questa azione sfocia nell'eritema solare (scottatura). I raggi ultravioletti possono inoltre attivare sostanze che, mischiate a monomeri, producono la loro polimerizzazione. Su questo principio si basano i gel per unghie che induriscono (polimerizzano) sotto l'azione dei raggi ultravioletti. Per quanto riguarda i raggi infrarossi, di questi esistono molte classificazioni. Analogamente, le radiazioni più vicine ai confini della luce visibile si chiamano IR-A (lunghezza d'onda compresa fra 700 nm e 1400 nm). Tali raggi sono innocui per l'uomo; i maggiori pericoli sono rappresentati per la vista, infatti osservando una sorgente di raggi infrarossi intensi, questi sono focalizzati sulla retina rischiando di bruciarla. Particolarmente pericolosi sono i laser, seguiti dalle torce/fari a raggi infrarossi usati per la videosorveglianza notturna. L'occhio non reagisce a tali radiazioni invisibili e la retina non viene protetta da un'irreversibile bruciatura. La maggior parte delle fotocamere è sensibile ai raggi infrarossi e quindi permette di sorvegliare segretamente ambienti apparentemente posti al buio o illuminati da sorgenti di infrarossi per tutelare l'inquinamento luminoso. Gli oggetti ripresi tramite una telecamera sensibile agli infrarossi, a prima vista appaiono come in una ripresa in bianco e nero, ma dopo un'attenta osservazione vengono rilevate sostanziali e curiose differenze: capi di abbigliamento neri possono apparire bianchi agli infrarossi e viceversa; alcune fotografie diventano invisibili, alcune tinte o vestiti sono trasparenti. Queste sorprese si verificano perché chi ha realizzato le tinte di tali oggetti, non ha curato oppure ha curato diversamente la proprietà di riflettere o di trasmettere (per trasparenza) i raggi infrarossi. Un oggetto nero alla luce visibile, assorbe tutti i colori dell'arcobaleno. Se riflette i raggi invisibili infrarossi, continuerà ad apparire nero ai nostri occhi, ma bianco o grigio quando è ripreso da una telecamera. Proposte di approfondimento Si propongono alcuni spunti di approfondimento, anche coinvolgendo aspetti quantitativi utili per le scuole secondarie di secondo grado: - misura della radiazione ultravioletta e infrarossa; - l'indice UV; - la quantità di raggi ultravioletti che giunge sulla terra ed i siti web in cui sono riportate delle misure; - l'azione battericida dei raggi ultravioletti e le lampade germicide; - l'importanza dell'ozono nell'atmosfera; - l'effetto delle creme solari e le loro caratteristiche; - l'uso dei raggi infrarossi nella videosorveglianza. La riproducibilità delle esperienze trattate Si ritiene utile fornire alcune indicazioni che possano permettere di riprodurre le esperienze viste nel laboratorio. Tutto il materiale è stato realizzato con componenti di facile acquisto e relativamente economici. Le lampade che emettono i raggi UV-A che stimolano la fluorescenza si trovano nei negozi di materiale elettrico. Ne esistono di vari tipi e dimensioni e possono essere montate al posto di un tubo bianco già esistente, specificando la potenza in watt e verificando la lunghezza. Esistono anche in versione compatta, come le lampade a basso consumo. Sono denominate blacklight blue o lampade di Wood. Si consiglia di prestare attenzione ai costi che sono molto variabili in funzione del negozio. L'oggettistica fluorescente è di facilissima reperibilità. Il viraggio dei colori può essere sperimentato ponento l'oggetto al sole, su cui possono essere poste delle maschere opache coprenti (letterine di carta), per evidenziare il contrasto fra la zona esposta al sole e quella protetta. La polimerizzazione del gel per unghie può essere effettuata avvicinando la sostanza ad una lampada di Wood in sostituzione ai fornetti UV, aumentando i tempi di esposizione. Le fotocamere sensibili ai raggi infrarossi sono piuttosto diffuse, poiché -nella maggior parte dei casi- è un filtro posto davanti l'obiettivo ad arrestare gli infrarossi per evitare alterazioni nelle riprese. Tale filtro non riesce quasi mai ad effettuare una completa soppressione, così torce ad infrarossi nelle riprese notturne possono essre visibili riprendendole con i nostri telefoni tuttofare; una prima prova da realizzare consiste nel verificare se l'emettitore di infrarossi sulla punta di un telecomando appare visibile. Filtri che eliminano la luce visibile consentendo la trasmissione dei raggi infrarossi sono reperibili online a costi molto bassi. Gli ideatori del laboratorio I contenuti scientifici del laboratorio sono stati ideati dagli studenti di una classe attualmente quarta della scuola secondaria di secondo grado: Martina Benzi, Lucrezia Boncompagni, Ilaria Braccialini, Irene Chiarolini, Giulia Chirigoni, Alessia De Luca, Federico Dossi, Christian Gemelli, Coralba Gilardi, Greta Giorgi, Chiara Locci, Giorgia Marchi, Cecilia Marconcini, Giorgio Picardi, Marco Rodio, Ilaria Romairone, Costanza Romanisio, Lorenzo Torturu, Carlotta Visconti e di una classe attualmente terza: Eliana Bergaglio, Marco Bonini, Laura Carrossino, Chiara Danovaro, Elisa Esposito, Maria Martina Frascolla, Nicole Gualco, Daniel Kromer, Laura Gemma Lobascio, Martina Muratore, Guendalina Porta, Elisa Rebora, Matteo Riccò, Elena Rosatto, Marta Rusnighi, Carola Schenone, Angie Melanie Silva Ramos, Chiara Storace, Marta Tovani, Giada Traverso, Silvia Tripi, Rebecca Valerio, Sara Varesio, Giulia Veneziano, Silvia Verrelli, Dalel Zahi. Questo documento è stato curato dal Prof. Alessandro Iscra e dalla Prof.ssa Carmela Santomauro. Approfondimenti possono essere richiesti al Prof. Alessandro Iscra, e-mail: [email protected], cell. 3473859793. Hanno collaborato: la Direzione Regionale per i Beni Culturali e Paesaggistici della Liguria, la Soprintendenza per i Beni Architettonici e Paesaggistici della Liguria, la Soprintendenza per i Beni Storici Artistici ed Etnoantropologici della Liguria, il Museo di Palazzo Reale.
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