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Esperimento di meccanica quantistica: lo spettrometro a scatola da scarpe

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Esperimento di meccanica quantistica: lo spettrometro a scatola da scarpe
Getty Images

Costruiamo uno spettrometro che consentirà di fare numerosi esperimenti che evidenziano la natura della radiazione elettromagnetica

Lo spettrometro è uno strumento che scompone la luce nelle sue componenti in lunghezza d’onda. Con uno spettrometro si possono fare numerosi esperimenti che evidenziano la natura della radiazione elettromagnetica, vedendo in pratica gli effetti quantistici che determinano la fisica sulle dimensioni degli atomi e delle molecole.

È possibile, per esempio, osservare la differenza tra la radiazione continua emessa da una sorgente ‘termica’, come una vecchia lampadina a incandescenza, o la radiazione solare, e le sorgenti quantistiche come laser e LED (Light Emitting Diode).

Il principio di funzionamento è quello della dispersione della luce da parte di un reticolo di diffrazione. Anche se il meccanismo fisico è profondamente diverso, dal punto di vista pratico possiamo considerare il reticolo di diffrazione come un prisma, che separa la luce nelle sue componenti di colore.

Infatti, la prima cosa che si impara con uno spettrometro è che ogni colore corrisponde a una lunghezza d’onda (o, alternativamente, a una frequenza, visto che per le onde elettromagnetiche lunghezza d’onda e frequenza sono inversamente proporzionali tra loro, con la velocità della luce come costante di proporzionalità).

Realizza lo spettrometro

Per poter realizzare praticamente lo spettrometro serve:

  • una scatola da scarpe, o comunque una qualsiasi scatola di cartone (le dimensioni non sono importanti) che possa ospitare al suo interno i due elementi fondamentali dello spettrometro,
  • il reticolo di diffrazione, appunto,
  • una piccola webcam per registrare la luce diffratta dal reticolo.

Il reticolo di diffrazione sarà utilizzato in trasmissione (la luce attraverserà il reticolo e sarà scomposta nelle sue componenti). Come reticolo di diffrazione è possibile utilizzare il rivestimento di un DVD vergine, ma è molto più pratico procurarsi un reticolo già fatto, che si può comprare online per pochi euro (evitate i rivenditori di strumenti ‘didattici’, che spesso applicano ricarichi spaventosi per il solo aggettivo ‘didattico’) e funziona egregiamente per i nostri scopi.

meccanica quantistica

È importante che la scatola al suo interno sia scura, o comunque colorata di nero, per evitare riflessioni indesiderate della luce.

meccanica quantistica

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Al centro di un lato si esegue un taglio verticale con un taglierino affilato, dal quale entrerà la luce che vogliamo analizzare spettralmente. Più sottile è la fenditura, migliore sarà la risoluzione spettrale. La fenditura si può stringere ulteriormente accostando due lamette da barba affilate (fate attenzione a non tagliarvi).

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All’interno della scatola, si disporranno il reticolo di diffrazione e la webcam, ad un angolo di circa 45 gradi rispetto alla direzione della luce. Il reticolo sarà posto a circa 1 centimetro dall’obiettivo della webcam.

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Se la webcam lo consente, è consigliabile rimuovere il filtro infrarosso dietro l’obiettivo per avere una sensibilità sullo spettro esteso da 350 nanometri (UV) a circa 900 nanometri (IR).

Fissiamo il tutto con nastro adesivo e plastilina. Lo schema a blocchi è mostrato nella figura che segue.F

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Per registrare lo spettro, utilizzeremo un software gratuito, ma molto potente, chiamato Theremino Spectrometer, che si può scaricare da questo link

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Theremino praticamente acquisisce la luce diffratta dal reticolo, e la trasforma in uno spettro.

Il software ha un’ampia ed esauriente documentazione (dal sito del produttore ma anche su YouTube) e c’è una versione in italiano. Lo spettrometro auto-costruito con questo software può arrivare ad ottenere prestazioni comparabili con strumentazione professionale di ben altro costo.

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