Spettrometro a Reticolo con Webcam

Abstract : In questo post proponiamo la costruzione di uno spettrometro a reticolo di diffrazione basato su webcam e sul software Theremino Spectrometer. Lo spettrometro è uno strumento fondamentale che permette di misurare lo spettro di una sorgente luminosa, ovvero le proprietà della luce in funzione della sua lunghezza d’onda. Lo spettrometro che proponiamo sfrutta il principio dell’interferenza in un reticolo di diffrazione per decomporre la radiazione luminosa nelle sue lunghezze d’onda e successivamente misurarne l’intensità con una webcam ad alta risoluzione.

Il Reticolo di Diffrazione

Un fascio luminoso monocromatico che incide su un reticolo dà origine ad un fascio trasmesso e a vari fasci diffratti, ad angoli che dipendono dal rapporto fra la distanza tra le righe del reticolo e la lunghezza d’onda della luce. Quindi, se il fascio luminoso è composto di più lunghezze d’onda si ottiene la scomposizione del fascio nelle sue componenti.

La luce con una lunghezza d’onda più grande viene deviata ad un angolo più grande rispetto alla direzione incidente (angolo di diffrazione). Per ogni lunghezza d’onda si possono osservare più righe. Il numero di righe che si contano dalla riga centrale, che non risulta deviata rispetto al fascio incidente ed è presa come riferimento, è detto «ordine» o «modo» di diffrazione ed è spesso indicato con la lettera m .

Componenti e Schemi Costruttivi

Webcam : NEW TRUST MEGAPIXEL WEBCAM PRO 1.3MP 1024×1280
Reticolo di diffrazione : reticolo olografico 1000 linee/mm monoassiale
Ottiche di collimazione : Obiettivo di binocolo
Fessura  Ottica : fessura micrometrica regolabile manualmente

Esempi di Spettri

Lampada a Fluorescenza

Lampada al Neon

Lampada Alogena

Lampada al Sodio

Lampada “fredda” – dettaglio del doppietto del sodio a 589nm

Lampada in fase di riscaldamento

Lampada “calda” – si evidenzia la linea di assorbimento del sodio a 589nm

Lampada di Wood

Candela

Emissione nella regione di vicino infrarosso

Laser e LED

Confronto tra LED e Laser rosso

Diodo Laser Verde

Nella immagine sotto si vede lo schema di funzionamento del diodo laser verde a 532 nm. Vi è l’emissione del laser di pompaggio IR che emette a ca 800 nm. Questa emissione viene convertita dal cristallo Nd:YVO4 nella emissione a 1064 nm che, a sua volta, viene raddoppiata in frequenza, a 532 nm, dal cristallo KTP. Il nostro spettrometro permette di evidenziare tutte e tre queste emissioni.

Diodo laser verde – dettaglio riga di emissione con due massimi ravvicinati a 532 e 530 nm

Diodo laser verde – Sono visualizzate le righe spettrali corrispondenti alle emissioni di pompaggio

Plasma

Plasma elettrico – Emissione nel vicino UV

Fluorescenza Chinino

Fluorescenza del chinino nel blu – eccitato da lampada UV

Fluorescenza Vetro con Uranio

Fluorescenza del vetro uranifero nel regione del verde – eccitato da lampada UV

Spettro Solare

Spettro solare con indicazione delle principali linee di Fraunhofer visibili con il nostro spettrometro

Il massimo di intensità dello spettro si colloca a circa 530 nm, da cui si deduce che la temperatura della atmosfera solare è di circa
T = 5500 K° (da black body radiation / legge di Wien)
Si nota la presenza di radiazione UV (<400nm) e IR (>750nm)
Bande di assorbimento che si possono individuare nello spettro di luce solare
Banda assorbimento ossigeno atmosferico O2 ca 760 nm – Fraunhofer A
Banda assorbimento del vapore acqueo atmosferico ca 720 nm
Banda assorbimento ossigeno atmosferico O2 ca 684 nm – Fraunhofer B
Assorbimento H_α ca 657 nm (serie di Balmer nello spettro dell’idrogeno) Fraunhofer C
Assorbimento H_β ca 480 nm (serie di Balmer nello spettro dell’idrogeno) Fraunhofer F
Assorbimento H_γ ca 430 nm (serie di Balmer nello spettro dell’idrogeno) Fraunhofer G
Riga di assorbimento del sodio a 589 nm Fraunhofer D
Riga di assorbimento del ferro a ca 530 nm Fraunhofer E
Riga di assorbimento del magnesio a ca 520 nm Fraunhofer b

Spettrometria di Assorbimento

Gli spettri di assorbimento vengono ottenuti utilizzando una lampada alogena ed una lampada allo xenon con emissione il più possibile costante su di un ampio intervallo di lunghezze d’onda. Le variazioni nello spettro vengono compensate dal software che le linearizza su di un valore di intensità costante. L’intervallo utile va dai 370nm agli 1000nm.

Setup per Spettrometria di Assorbimento

Esempi di Spettri di Assorbimento

Carotenoidi

I carotenoidi sono una classe di pigmenti organici che possono essere rinvenuti nelle piante o in altri organismi fotosintetici, come le alghe ed alcune specie di batteri.
Esistono oltre 600 tipi di carotenoidi conosciuti; vengono normalmente suddivisi in due classi: i caroteni (che sono idrocarburi quindi privi di ossigeno) e le xantofille (che invece lo contengono). Sono pigmenti accessori che nella fotosintesi consentono di assorbire lunghezze d’onda differenti rispetto alla clorofilla e che proteggono quest’ultima dalla foto ossidazione.

I carotenoidi sono molecole costituite da una lunga catena di atomi di carbonio (costituita da 35-40 atomi e definita catena polienica), spesso terminante in un anello. La struttura della catena permette di dividere i carotenoidi in due classi:

• le xantofille, costituite da catene contenenti atomi di ossigeno; appartengono a questa classe importanti pigmenti come la luteina e la zeaxantina.
• i caroteni, costituiti invece da molecole prive di ossigeno e formate solo da idrogeno, oltre che da carbonio. Appartengono a questa classe il licopene ed il carotene, che è forse il più conosciuto di questi pigmenti e che dà il nome alla classe, contenuto nelle carote e responsabile del tipico colore arancione di questa radice.

Il tipico colore dei carotenoidi, che spazia dal giallo pallido all’arancione fino al rosso acceso, è una diretta conseguenza della struttura molecolare di questi composti. Le catene polimeriche che li compongono sono infatti caratterizzate dalla presenza di doppi legami, che interagiscono tra di loro permettendo agli elettroni degli atomi interessati di muoversi più liberamente; all’aumentare dei doppi legami nella catena, aumenta anche la libertà di movimento degli elettroni. Questo fa sì che lo spettro della luce assorbita da queste molecole diminuisca; come conseguenza di ciò, aumenta la lunghezza d’onda della luce riflessa, ed essa appare perciò di un colore tendente al rosso.

Spettro di assorbimento del β carotene in olio, si notano i due picchi di assorbimento a 480nm e 450nm

Emoglobina

L’emoglobina è una proteina globulare la cui struttura quaternaria consta di quattro sub-unità. È solubile, di colore rosso (è una cromoproteina), ed è presente nei globuli rossi del sangue dei vertebrati, esclusi alcuni pesci antartici. È responsabile del trasporto dell’ossigeno molecolare da un compartimento ad alta concentrazione di O2 ai tessuti che ne hanno bisogno. Ognuno dei suoi 4 globuli proteici, detto globina, ha al suo interno una molecola di protoporfirina che coordina uno ione ferro Fe (II), posto leggermente al di fuori del piano della molecola, nell’insieme chiamata Gruppo Eme. Quando si lega all’ossigeno l’emoglobina viene chiamata ossiemoglobina, nella forma non legata deossiemoglobina.
Nella immagine a lato si vede l’assorbimento della emoglobina come si trova in letteratura.

Spettro assorbimento della emoglobina. Si notano i picchi di assorbimento a 579nm, a 540nm e a 413nm e per λ inferiori a 390nm

Documento pdf con la descrizione completa dello spettrometro: Spettrometro_ITA

Approfondimento sulla Spettroscopia Atomica : Spettroscopia Atomica

Approfondimento sulla Fluorescenza : Cos’è la Fluorescenza

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