Righe di emissione.

[Pigkappa]

Se osserviamo spettroscopicamente una nube di gas caldo, che sia complessivamente poco assorbente, e che non sia illuminato da una sorgente posta dietro di lei, osserviamo delle righe di emissione. Un'immagine di esempio è questa:

In realtà mi aspetto qualcosa di molto meno drastico di questa immagine (cioè righe non così strette e uno sfondo non così nero) ma non ho trovato di meglio.

Quello che vi chiedo è come mai si forma questo tipo di spettro.




[io la risposta la so, è un invito a ragionare su una cosa che penso non sia ovvia, provando a fare un modello che spieghi questa cosa]

[Omar93]

Allora... Ci sono solo dei determinati colori. I colori dipendono dalla lunghezza d'onda dei fotoni che ci sono,cioè di quei fotoni che colpiscono lo schermo nero e che provengono dalla sorgente.
Il gas è caldo,quindi gli atomi sono eccitati ed inoltre ci sono molti scontri tra di loro. Quando ci sono degli scontri si libera energia,energia che viene presa dall'atomo che poi emette fotoni,ognuno dei quali ha una sua energia E=hf.
Ora il fatto che non ci siano altri fotoni con altre frequenze cosa ci dice?
Scrivo: f=h/E ,quindi le energie per quei fotoni che non ci sono non possono esserci.
Però nel disegno c'è una cosa strana: i colori rosso e giallo sono un pò sfumati(intensità decresce giusto?),mentre gli altri no.
E' un fatto casuale o ha una spiegazione a cui ci si può arrivare?

[Alex]

Il gas è caldo,quindi gli atomi sono eccitati ed inoltre ci sono molti scontri tra di loro. Quando ci sono degli scontri si libera energia,energia che viene presa dall'atomo che poi emette fotoni,ognuno dei quali ha una sua energia E=hf.

una piccola osservazione su questo. nella soluzione di un esercizio (e in generale nella vita) cerca di definire meglio cosa intendi con "si libera energia"; ricordati che l'energia in un sistema chiuso si conserva. qui potresti dire che l'energia cinetica si trasforma in energia interna di un atomo (eccitazione). In ogni caso gli atomi sono già eccitati all'inizio, quindi questo non è un punto fondamentale. Giusto invece che gli atomi perdono l'energia di eccitazione emettendo fotoni

Ora il fatto che non ci siano altri fotoni con altre frequenze cosa ci dice?
Scrivo: f=h/E ,quindi le energie per quei fotoni che non ci sono non possono esserci.

Bene. Ma prova a riflettere su che cosa significa il fatto che quelle energie non ci possono essere? Cosa cambia tra un atomo eccitato ed un atomo non eccitato? Che cosa succede all'atomo quando emette un fotone?

Però nel disegno c'è una cosa strana: i colori rosso e giallo sono un pò sfumati(intensità decresce giusto?),mentre gli altri no.
E' un fatto casuale o ha una spiegazione a cui ci si può arrivare?

Ottima osservazione e complimenti per averlo notato! Il fatto non è casuale, ma è la somma di tanti effetti distinti. Almeno ad uno di questi effetti potresti arrivare

[Pigkappa]

Io a dire il vero non ho capito la tua (= di Omar93) soluzione, se intendevi dare una soluzione. Perchè si forma uno spettro così?

[Omar93]

Quando un atomo viene eccitato i suoi elettroni saltano da un livello energetico ad un altro. Si possono avere varie possibilità: cioè avere vari elettroni in vari livelli energetici. Questi livelli energetici raggiunti dipendono dagli urti che ci sono. Alcuni urti danno all'elettrone la possibilità di saltare ad un livello energetico alto altri più basso. Quando poi l'elettrone emette un fotone (che è di una certa frequenza data da f=E/h ,dove E è l'energia inizialmente acquisita dall'elettrone)ritorna nel suo stato fondamentale.
Quindi dal gas partono fotoni ognuna con frequenze diverse e si forma poi quell'immagine.
Quelle sfumature non potrebbero venire sempre da altri fotoni di altri livelli energetici?

[Pigkappa]

Sì, beh, che quelle righe sono quelle in cui ci sono le transizioni degli atomi è vero, ma non mi basta questo. Sto chiedendo perchè tutto il materiale nel suo insieme dovrebbe emettere così. Perchè ci sono queste transizioni elettroniche?

E poi: se invece dietro al materiale c'è una sorgente luminosa, si osserva uno spettro che è in un certo senso il negativo di quello che ho messo, cioè le righe diventano righe di assorbimento. È chiaro che deve succedere qualcosa di diverso nei due casi.

E poi ancora: se non sapessimo nulla sulle transizioni elettroniche e volessimo considerare solo le proprietà macroscopiche del gas (che potrebbe essere composto da molecole complicate, in cui non ci sono solo le transizioni elettroniche ma anche altri fenomeni), potremmo giustificare comunque il fatto che gli spettri di emissione ed assorbimento sono l'uno il negativo dell'altro?

[Omar93]

Pigkappa ti chiedo di pazientare un pò. Lo so che è più da un mese che c'è il post ma il fatto è che è più da un mese che penso ad una soluzione che sfrutti la conservazione dell'energia.
Mi spiego meglio: se consideriamo la molecola senza le transizioni elettroniche(che tanto a noi non importa come funzionano ma solo il loro prodotto) allora abbiamo che durante ciascun suo urto,anelastico,con un'altra molecola si ha la liberazione di energia che poi è quella della luce in uscita. Ora la quantità d'energia che si libera dipende da tipo a tipo di molecola,quindi si potrebbe dire che va bene.
Il fatto è che con questo modello mi risulta difficile spiegare il negativo quindi credo che non vada bene.
Ti chiedo innanzitutto di dirmi se questa era una risposta o no ed in particolare di dirmi se devo abbandonare parzialmente o no la conservazione dell'energia. Cosa faccio di male??

[Pigkappa]

Mi rendo che la questione sia un po' complicata e mal posta. Non è semplice porla in modo più chiaro.

Comunque, concentriamoci sul fatto che lo spettro di emissione è il negativo dello spettro di assorbimento. Quello che bisogna spiegare è perchè una molecola tende ad emettere di più alle frequenze in cui assorbe di più.

È vero che vale la conservazione dell'energia, però in questo caso non ci può essere troppo utile perchè l'energia irradiata dipende dal flusso a tutte le lunghezze d'onda, e non dall'intensità in ogni punto dello spettro. Bisogna coinvolgere qualche altro principio fisico.

[Omar93]

Me ne ero quasi scordato
Me lo sono ricordato guardando la sezione teoria. La simulazione d'esame e tutto il resto delle interrogazioni mi avevano messo troppo panico
Quello che dirò è ciò che avevo pensato a dicembre quando in classe stavamo parlando di un esperimento(l'unico ) fatto l'anno scorso: un carrello viene collegato ad una molla e dall'altra parte ad un piccolo motore. Vengono indotte varie frequenze finchè ne arriva una che fa oscillare il carrello in maniera quasi smisurata.

Bene....

Prendiamo due palline piccolissime e colleghiamole ad una molla. Questo sistema è una molecola.

Se la molecola è da sola la sua frequenza è l' unica notabile. Infatti il sistema molla+palline oscilla con la frequenza tipica e ogni tanto(spesso ) c'è una sua variazione di energia. L'energia irraggiata che esce ,l'unica che c'è,è la luce propria(per es. la nostra molecola potrebbe avere come sua luce il rosso).

Supponiamo che ora la molecola venga messa in oscillazione da tanti tipi di oscillazione(ovvero è illuminata da dietro).
Tutte le oscillazioni,eccetto quella della stessa frequenza della molecola, saranno assorbite parzialmente da essa poi la loro energia residua continuerà per il suo cammino.
Dubbio:
dove va l'energia che la molecola in questo caso assorbe?? Macroscopicamente vediamo aumentata la temperatura del gas?

Richiesta(solo se la risposta va bene):
Se osservassimo il sistema per un tempo molto lungo vedremmo che alla fine la luce scompare.
L'unica spiegazione che conosco è che un sistema tende sempre ad avere il maggior numero di configurazioni possibili,ovvero la sua entropia cresce. E quando ci si è avvicinati allo stato di equilibrio non ci sono più scambi d'energia. Questa è quella che viene anche chiamata morte termica.

Immaginiamo che il nostro universo sia costituito dal sistema in figura. Come detto la luce alla fine scompare,tutto è fermo,e l'energia,in questo caso solo potenziale,è minima. E tutta l'altra dove è andata a finire?? Per caso se l'è presa il sistema che si occupa di trasportare l'energia irraggiata??

[Pigkappa]

Premessa: non ho capito nulla.

Comunque, evidenzierei questa frase:

Supponiamo che ora la molecola venga messa in oscillazione da tanti tipi di oscillazione(ovvero è illuminata da dietro).
Tutte le oscillazioni,eccetto quella della stessa frequenza della molecola, saranno assorbite parzialmente da essa

Non è assolutamente così che funziona a livello quantistico! La radiazione arriva quantizzata, cioè in singoli fotoni, e vengono assorbiti solo quelli con frequenza corrispondente al salto energetico tra i livelli della molecola.

"Viene assorbita energia a tutte le lunghezze d'onda" ---> assolutamente no.
La formazione di spettri di emissione e assorbimento è sicuramente legata al regime quantistico (le righe corrispondono alle energie dei salti nei livelli atomici, ed i livelli atomici non esistono nel regime classico), non puoi modellizzarla classicamente.

Quando ho posto la domanda non avevo le idee troppo chiare su dove si sarebbe andati a parare, e non ci stiamo avvicinando neanche lontanamente alla direzione che avevo in mente, perciò penso sia il caso di scrivere cosa volevo si notasse.

La cosa importante che deve restare in testa è che il materiale tende ad avere una forte emissione alle stesse frequenze in cui ha un forte assorbimento. Questo è quello che si deduce dal fatto che lo spettro di emissione è il negativo di quello di assorbimento.
Questa è una delle conseguenze non ovvie del secondo principio della termodinamica. Non sto ad entrare nei dettagli perchè, sinceramente, neanche io li ricordo e sapere a memoria il procedimento non è particolarmente illuminante. La spiegazione la si trova ad esempio a http://en.wikipedia.org/wiki/Kirchhoff% ... _radiation (la prima sezione).