STEP #12-Uno spettrofotometro...da oscar!

E' già stato chiarito il legame tra spettrofotometria e spettroscopia, ma non tutti sanno che essa gioca un ruolo primario in attività più familiari di quanto si pensi, la spettroscopia è infatti utilizzata per l’analisi dei manufatti nel restauro di opere d'arte.

Scene di restauri compaiono spesso in film/serie tv, tra cui una in particolare è ricolma di fascino. Si tratta dell'episodio 3x01 della serie "The Crown", in cui un esperto d'arte espone un quadro, sul quale delle opere di restauro hanno rivelato la presenza di un volto diverso dipinto sotto a quello visibile sulla tela, nascosto. 

Il messaggio celato nel dipinto si ripete nella realtà: è possibile conoscere appieno qualcosa?Con il passare del tempo le verità vengono rivelate, potrebbero celarsi sotto la superficie, sepolte, dimenticate, ma il tempo troverà il modo di farle riaffiorare. 

Dunque, uno spettrofotometro, proprio come il Tempo, talvolta può assumere un potere enorme: portare alla luce la verità.

STEP #11-Case produttrici

Due tra le case produttrici di spettrofotometri più famose al mondo sono Mettler Toledo e Hitachi. La prima è una multinazionale che produce strumenti tecnologici per laboratori scientifici oltre a sistemi di misurazione nel campo della chimica analitica. Ha un fatturato di quasi 3 miliardi di dollari americani e la sede principale si trova in Ohio, Stati Uniti. Hitachi è invece una società giapponese, con sede a Tokyo, attiva in molteplici settori, tra cui elettronica ed elettrotecnica. Con quasi 87 miliardi di dollari di fatturato, la società ha una figura predominante sul mercato mondiale e, insieme a General Electric Power, è attiva anche nel campo dei reattori nucleari. 

STEP #10-Gli articoli

Applicazioni della spettroscopia infrarossa portatile nella diagnostica e monitoraggio dei Beni Culturali: vantaggi e limiti - Aldrovandi, Alfredo, et al. “Applicazioni Della Spettroscopia Infrarossa Portatile Nella Diagnostica e Monitoraggio Dei Beni Culturali: Vantaggi e Limiti.” OPD Restauro, no. 24, 2012, pp. 57–70. JSTOR. Ultimo accesso 28 Ott. 2020.

Osservazioni durante il restauro di sei rilievi arnolfiani dall'antica facciata del duomo fiorentino: la "Madonna della Natività", il frammento dell'"Annuncio ai Pastori", due "Angeli" su frammento di arcata, due "Angeli reggicortina" - Castello, Isidoro, and Francesca Piccolino Boniforti. “Osservazioni Durante Il Restauro Di Sei Rilievi Arnolfiani Dall'antica Facciata Del Duomo Fiorentino: La ‘Madonna Della Natività’, Il Frammento Dell'‘Annuncio Ai Pastori’, Due ‘Angeli’ Su Frammento Di Arcata, Due ‘Angeli Reggicortina.’” OPD Restauro, no. 24, 2012, pp. 229–240. JSTOR. Ultimo accesso 28 Ott. 2020.

Valutazione degli effetti indotti da differenti sorgenti luminose sui manufatti cartacei - Aldrovandi, Alfredo, et al. “Valutazione Degli Effetti Indotti Da Differenti Sorgenti Luminose Sui Manufatti Cartacei.” OPD Restauro, no. 19, 2007, pp. 173–188. JSTOR. Ultimo accesso 28 Ott. 2020.

Caratterizzazione dei prodotti di alterazione di superficie mediante spettrofotometria IR - Matteini, Mauro, et al. “Caratterizzazione Dei Prodotti Di Alterazione Di Superficie Mediante Spettrofotometria IR.” OPD Restauro, no. 3, 1991, pp. 36–39. JSTOR. Ultimo accesso 28 Ott. 2020.

STEP #09-L'inventore

Lo spettrofotometro venne brevettato l'8 gennaio del 1935 ad opera di A. C. Hardy, biologo inglese e professore all'università di Oxford. Curiosamente, l'ambito di impiego di Hardy non era la fisica, bensì egli era specialista in zooplancton ed ecosistemi marini. Venne inoltre insignito del Premio Templeton, per il suo impegno nel campo della ricerca sull'esperienza religiosa, a dimostrazione della versatilità del suo operato. 

Nonostante la data del deposito del brevetto possa far pensare ad uno strumento piuttosto recente, gli studi nell'ambito della spettrofotometria trovano le loro radici già intorno al 1676, con gli esperimenti sulla luce condotti da Newton. I primi prototipi digitali videro poi la luce nel 1967.

Da: http://www.meteoweb.eu/2015/01/accadde-oggi-80-anni-fa-linvenzione-spettrofotometro/374922/

STEP #08-Materiali notevoli

Un elemento essenziale all'interno dello spettrofotometro è la cellula fotoelettrica (fotocellula), realizzata dai fisici Elster e Geitel nel 1910. Nella versione più semplice essa è costituita da un tubo a vuoto, detto fototubo, al cui interno si trovano anodo e catodo. Quest'ultimo, carico negativamente, quando è colpito dalla luce emette un fascio di elettroni che sono attirati dall'anodo. Si crea così una corrente all'interno della cellula. 

Spesso i due elettrodi sono collegati ad una batteria e la corrente permette per esempio di accendere una lampadina o mettere in moto dispositivi elettrici. Oggi l'uso dei fototubi è molto ridotto, si preferiscono fotocellule a semiconduttore, che sfruttano materiali come il silicio, con proprietà intermedie tra metalli e isolanti. 

Ulteriori approfondimenti.

STEP #07 (II)-I greci e la luce

I Greci hanno messo le basi per una vera e propria “metafisica della Luce”, ovvero una speculazione sui principi costitutivi della Luce nei suoi molteplici aspetti: madre e dispensatrice di vita, fonte rischiarante dell’essere stesso e dell’universo.  La dinamica esistenziale dell’uomo greco è interamente orientata alla Luce e al rischiaramento da portare nel quotidiano: dai piccoli sforzi di ogni giorno, ai misteri che avvolgono la sfera del sacro. 

La stessa ontologia dell’essere umano, che rappresenta il culmine della riflessione greca sulla Luce, ci trascina nel fascino della straordinaria conclusione a cui si può pervenire: l’uomo è Luce, tutti noi siamo Luce, la nostra stessa vita è Luce e ogni nostro passo deve condurci a quel rischiaramento che dà senso e forma all’intera esistenza. 

È il mito che diventa realtà e la realtà che trascende in narrazione mitica.

STEP #07-Il mito

La spettrofotometria si occupa di luce visibile e, proprio la riflessione sulla Luce, gioca un ruolo primario nella cultura greca arcaica. Un aspetto affascinante è incarnato da Efesto, dio del fuoco, che grazie al suo lavoro nelle fucine dell’Etna rese la Luce un elemento quotidiano, familiare. Con Efesto la Luce si mostrava sia come positiva, che irradia la vita, sia come segno di paura, tale da incutere riverenza. È quella Luce che veniva celebrata e invocata in Apollo, dio del Sole. Già presso gli etruschi il dio Aplu (Apollo) era associato alla Luce e viene chiamato dagli stesi Greci “Febo”, ovvero splendente, raggiante, come a sottolineare la sua appartenenza al mondo della Luce legato ai raggi solari. 

(Per ulteriori approfondimenti cliccare qui)

STEP #06-The symbol

They say "a picture is worth a thousand words", then a spectrum is worth a thousand pictures. 

When I first surfed the web, looking for any iconic images, I came across something that caught my eye. The following pic describes light dispersion through a prism and I couldn't help noticing the similitude with Pink Floyd's album cover for 'The dark side of the moon'.

light dispersion through a prism

Dark side of the moon's cover

The cover was designed by Powell and Thorgerson during a late night brainstorm. They were given limitless creative freedom as the band only suggested 'to do something clean and graphic'. Pink Floyd approved it straightaway. 

Shining a light through a prism is one of the simplest ways to see a spectrum. Many early physicists did it, including Newton. The effect reached a new level of fame when Pink Floyd released their album. That is the field of spectroscopy.

STEP #05 (II)-Principio fisico (2)

Una molecola può assorbire in punti diversi dello spettro, generando curve di assorbimento con picchi e zone in cui non vi è assorbimento. Nel grafico è riportata la quantità di luce assorbita in funzione delle lunghezze d'onda della luce:

Lo strumento è molto utilizzato per determinazioni quantitative, grazie alla legge di Lambert Beer. Per cominciare, se per la sostanza in esame il coeff. di estinzione molare è incognito, bisogna costruire una retta di taratura tra Assorbanza e Concentrazione. E' sufficiente preparare una serie di concentrazioni note della sostanza in analisi pura e disciolta in un solvente, azzerare l'assorbanza e quindi leggere le assorbanze delle varie concentrazioni note ponendo le rispettive cuvette nello strumento una dopo l'altra. La retta risultante sarà di questo tipo:

Ora per determinare la concentrazione incognita del campione basta prepararne una diluizione nello stesso solvente, determinare il valore di Assorbanza e, grazie alla retta creata, ricavare il relativo valore di concentrazione.

Da: http://www.tuttochimica.it/chimica_analitica_spettrofotometro.asp

STEP #05-Principio fisico (1)

Le diverse parti che costituiscono uno spettrofotometro sono schematizzabili come segue: 

Lo strumento è in grado di determinare un parametro, l'Assorbanza, definito come: 

A=log(I0/I1)

essendo I1 e I0 rispettivamente le intensità di luce trasmessa e iniziale. Si noti che si tratta di una grandezza adimensionale e che vale 0 quando I1=I0. 

L'assorbanza segue il principio cardine della spettrofotometria, detto legge di Lambert e Beer, secondo la quale assorbanza e concentrazione del campione in esame sono linearmente dipendenti:

A =  𝜀 · c · l

c è la concentrazione molare della sostanza della cuvetta, l la lunghezza della cuvetta in cm e 𝜀 il coefficiente di estinzione molare (una costante caratteristica per ogni sostanza).

Parte della componente luminosa potrebbe essere bloccata o dispersa in ogni caso anche dalla cuvetta vuota o dal solvente, pertanto lo strumento viene in genere tarato a zero di assorbanza mediante un apposito pulsante.

Da: http://www.tuttochimica.it/chimica_analitica_spettrofotometro.asp

STEP #04 (II)-Spectrophotometry and its applications

Spectrophotometry deals with the measurement of the interaction of light with materials. Light can be reflected, transmitted, scattered, or absorbed, and a material can emit light, either because it has absorbed some light and it reemits it, because it has gained energy in some other way (e.g., electroluminescence), or because it emits light due to its temperature (e.g., incandescence).

The spectrophotometer is an important scientific tool, most commonly used in biology and chemistry. It usually requires expensive lab equipment, but D. Hingston designed a rig to do the job at home almost cost-free. The heart of the rig consists in a normal filament-based flashlight bulb, which produces good-quality white light containing all colors. A prism is then used to split the light into its component wavelengths, so that the sample can be tested across the whole light spectrum. It is a simple craft that can be achieved with fairly common materials, barring the prism which may need to be specially ordered. (More info on how to build your own spectrophotometer can be found in this video).

Bibliography:

 SPECTROPHOTOMETRY-Thomas A. Germer, Benjamin K. Tsai, Experimental Methods in the Physical Sciences, 2014 

HOMEMADE APPLICATIONS-How to build a spectrophotometer at home                    

ELECTROLUMINESCENCE-C. Moretti, V. Koncar, Smart Textiles and their applications, 2016.                      

WIKIPEDIA, INCANDESCENCE-https://en.wikipedia.org/wiki/Incandescence

STEP #04-La scienza dello spettrofotometro

La spettrofotometria è una branca della fisica che si occupa dello studio degli spettri elettromagnetici. Si tratta di un termine più specifico del termine generale spettroscopia elettromagnetica.  Fu un vetraio bavarese,  Joseph von Fraunhofer (1787-1826), a tramutare la spettroscopia da arte a scienza,  creando uno strumento di osservazione e misura che rappresenta l'antenato del moderno spettroscopio. La portata di questa invenzione (accompagnata da anni di eccezionale lavoro nel campo della fisica e dell'astronomia) si può comprendere ancora meglio se si pensa che a Fraunhofer è stato intitolato un cratere lunare. 

Per maggiori informazioni cliccare qui

Approfondimenti e curiosità:

• Fraunhofer Italia-organizzazione di ricerca applicata europea
• note biografiche-info sulla vita di Fraunhofer

Bibliografia:

WIKIPEDIA, SPETTRO ELETTROMAGNETICO-https://it.wikipedia.org/wiki/Spettro_elettromagnetico

MUSEO GALILEO, MUSEO VIRTUALE GALILEO-https://catalogo.museogalileo.it/biografia/JosephVonFraunhofer.html

ENCICLOPEDIA SAPERE.IT, SPETTROSCOPIO-https://www.sapere.it/enciclopedia/spettrosc%C3%B2pio.html

WIKIPEDIA, CRATERE FRAUNHOFER-https://it.wikipedia.org/wiki/Cratere_Fraunhofer

TRECCANI, LA SPETTROSCOPIA E LA NASCITA DELL'ASTROFISICA-https://www.treccani.it/enciclopedia/l-ottocento-astronomia-la-spettroscopia-e-la-nascita-dell-astrofisica_%28Storia-della-Scienza%29/

STEP #03-Glossario

Uno spettrofotometro è costituito dai seguenti elementi:

• sorgente luminosa 

dà origine ad una radiazione policromatica in un certo intervallo di lunghezze d'onda (ad esempio: lampada a filamento di tungsteno per la luce visibile, lampada al deuterio per le radiazioni ultraviolette)

• selettore di lunghezza d'onda

isola una regione limitata dello spettro, in modo da aumentare la selettività e la sensitività di uno strumento

• pozzetto

permette l'introduzione delle cuvette

• cellula fotoelettrica 

sulla quale incide il raggio emergente dalla soluzione presa in esame

• sistema di amplificazione della corrente emessa dalla fotocellula 

• galvanometro 

misura la corrente citata al punto precedente

[approfondimento]

STEP #02-Spettrofotometri ieri e oggi

 

Spettrofotometro PCE-CSM 8

       

Spettrofotometro vintage

STEP #01 (II)-L'etimologia del termine

Il termine spettrofotometro (/spet-tro-fo-tò-me-tro/) è un composto di spettro (dal latino specere, che significa osservare, guardare) e fotometro. 

Di seguito sono riportate le traduzioni del nome dello strumento in alcuni linguaggi correnti: spectrophotometer (inglese), espectrofotòmetro (spagnolo), spektrophotometer (tedesco), 分光光度計 (cinese).

STEP #01-Cos'è uno spettrofotometro?

L'applicazione più comune degli spettrofotometri è la misurazione dell'assorbimento luminoso. Essi possono poi anche essere progettati per misurare la riflettanza diffusa o speculare. Tali strumenti si dividono in due categorie principali: a fascio singolo e a fascio doppio. I primi misurano un'intensità luminosa assoluta, mentre i secondi si occupano della misura del rapporto dell'intensità luminosa di due diversi percorsi della luce.