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1957, I "Trattati di Roma" per l`Europa

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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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