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LEZIONE 6:elementi di ottica
interazioni della radiazione con la materia
SPETTROFOTOMETRIA UV-VIV-NIR
direzione di propagazione
ONDE ELETTROMAGNETICHE
λ= lunghezza d’onda (distanza fra due punti nello spazio in cui l’onda assume gli stessi valori.ν = frequenza (quante volte in un secondo l’onda si ripete uguale)
λcampo
elettrico
campo magnetico
lunghezza d’onda λ e frequenza ν sono inversamenteproporzionali, il loro prodotto dà la velocità della luce c:
λν = c
Energia ( E = hν )
2
lunghezza d’onda λ (m)
Processi fisici coinvolti
RAGGI γ RAGGI X INFRAROSSOMICRO-ONDE
ONDE RADIO
VISIB
ILE
ULTRA-VIOLETTOeccitazione
nucleare e atomica
transizionielettroni interni transizioni
elettroni esterni
vibrazioni molecolari
(bending, stretching)
rotazioni molecolari risonanza
spin-elettrone
risonanza magnetica nucleare
RADIAZIONI E MATERIA
energia
10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 10 102 103
1 Å 1 nm 1 μm 1 mm
1 MeV 1 keV 1 eV
Regioni spettrali
10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 10 102 103lunghezza d’onda λ (m)
1019 1018 1017 1016 1015 1014 1013 1012 1011 1010 109 107 106 105frequenza ν (Hz)
108
1 Å 1 nm 1 μm 1 mm
numero d’onda (cm-1) 1000 100 10
regioni
LO SPETTRO ELETTROMAGNETICO
RAGGI γ RAGGI X UV INFRAROSSO MICRO-ONDE ONDE RADIO
VISIB
ILE
vicino
lontano
vicino
medio
lontano
estremo
380nm 450
500
600
750 nmvioletti
blu
verdi
gialli
aranci
rossi
3 μm
λ
6 μm
15 μm
IRvicino
IRm
edio
IRlontano
IRestrem
o
medie
lunghe
corte
E-V
HF
3
Riflessione diffusa
Riflessione speculare
Sorgente luminosa
INTERAZIONE TRA LUCE E OGGETTI
EMISSIONE RIFLESSIONE
LUCE E COLORE
SORGENTI PRIMARIE DI LUCE (EMISSIONE)
SORGENTI SECONDARIE DI LUCE (RIFLESSIONE)
4
RADIAZIONE ASSORBITA E RADIAZIONE RIFLESSA
A + R =1
Per il principio di conservazione dell’energia la radiazione che non viene assorbita è riflessa indietro
0
0
IIR
IIA
R
A
=
=
Sorgente
Riflessione diffusa (o lambertiana)
Riflessione speculare(brillantezza)
Radiazione che ha interagito selettivamente
con l’oggetto: porta informazione sul colore
Radiazione che non ha interagito con l’oggetto:
porta informazione sull’illuminante
5
6
SPETTROFOTOMETRIA
• SPETTROSCOPIA• SPETTROMETRIA• SPF• FORS (Fiber Optics Reflectance
Spectroscopy)• RS (Reflectance Spectroscopy ma anche
Raman Spectroscopy !!! )Tutti sinonimi
7
Campione Campione (quadro o (quadro o parte di parte di esso)esso)fascio di particelle o di fascio di particelle o di
radiazioneradiazione
rivelatorerivelatore
PC
Lapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
spettrospettro
segnalesegnale
TIPO DI INTERAZIONE NON DISTRUTTIVA CON IL CAMPIONE
10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 10 102 103lunghezza d’onda λ (m)
1019 1018 1017 1016 1015 1014 1013 1012 1011 1010 109 107 106 105frequenza ν (Hz)
108
1 Å 1 nm 1 μm 1 mm
numero d’onda (cm-1) 1000 100 10
regioni
LO SPETTRO ELETTROMAGNETICO
RAGGI γ RAGGI X UV INFRAROSSO MICRO-ONDE ONDE RADIO
VISIB
ILE
vicino
lontano
vicino
medio
lontano
estremo
380nm 450
500
600
750 nmvioletti
blu
verdi
gialli
aranci
rossi
3 μm
λ
6 μm
15 μm
IRvicino
IRm
edio
IRlontano
IRestrem
o
medie
lunghe
corte
E-V
HF
SPETTROFOTOMETRIA UV_VIS_NIR
8
ASSORBANZA SPETTRALE
SCHEMATIZZAZIONE DEI LIVELLI ENERGETICI DEGLI ORBITALI
MOLECOLARI
0
0
0 III
IIA A −
==
I0 I
SPETTRO DI ASSORBIMENTO AL VARIARE DELLA LUNGHEZZA D’ONDA
Spettro di assorbimento di un colorante fucsia
9
CLOROFILLA
CAROTENE
OSSIEMOGLOBINA
ESEMPI di molecole organiche con spettri caratteristici di assorbimento/riflessione nel visibile
SPETTROFOTOMETRIA
IN ASSORBANZA:
-STRUMENTI DA LABORATORIO
-CAMPIONI SOLUBILI
-ANALISI INVASIVE E DISTRUTTIVE
IN RIFLETTANZA:
-STRUMENTI PORTATILI
-CAMPIONI SOLIDI
-ANALISI NON INVASIVE
LA LUCE ATTRAVERSA IL
CAMPIONE => ANALISI
QUANTITATIVA
LA LUCE VIENE RIFLESSA DALLA SUPERFICIE DEL
CAMPIONEANALISI
QUALITATIVA
10
LA RIFLETTANZA E’ UNA PROPRIETA’FISICA DEGLI OGGETTI
Energia riflessaEnergia incidente
R(λ) =
RIFLETTANZA SPETTRALE
quantità di radiazione retrodiffusa da una superficie in dipendenza della lunghezza d’onda.
Spettro di riflettanza
400 450 500 550 600 650 700
Lunghezza d’onda (nanometri)
RIFLETTANZA
11
Misura dell’ energia riflessa per ogni λ rispetto a uno standard calibrato
12
Hans Memling, Crucifixion (1468-70)Vicenza, Musei civici
Riflettanza spettrale
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Energia [KeV]
Con
tegg
i(1
50 s
)
Ca Fe
Cu
PbPb
Cu
Pb
XRF
L’utilizzo di due analisi per ottenere informazioni sulla stratigrafia di pigmenti
13
SPETTRI ESTESI NEL VICINO IR (->2400 nm)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
400 800 1200 1600 2000 2400
lunghezza d'onda (nm)
trasm
ittan
za %
Azzurrite
Cinabro
Blu di smalto
NIR, vicino IR MIR, medio IR
SFERA INTEGRATRICE: RACCOGLIE TUTTA LA RADIAZIONE RIFLESSA DALLASUPERFICIE MISURATA
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STRUMENTAZIONE
RIVELATORE (MULTILEMENTO)
CAMPIONE
SORGENTE DI RADIAZIONE
(UV – VIS – NIR)
SPETTROFOTOMETRO(analizza la radiazione proveniente dal campione)
STRUMENTAZIONE PORTATILE (non riportato sul libro !!)
FIBRA OTTICA
- Fibra ottica in ingresso- Monocromatore- Rivelatore multicanale- Convertitore del segnale in digitale
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ALCUNI RISULTATIPIGMENTI PITTORICI:
• CARATTERIZZAZIONE NEL VISIBILE 380-780 nm(colorimetria)
• NIR (VICINO INFRAROSSO 780-1100nm) caratterizzazione della parte di spettro INVISIBILE a OCCHIO NUDO
16
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900
lunghezza d'onda (nm)
rifle
ttanz
a (%
d1 lacca rossa olio
d2alto ematite olio
d2basso cinabro olio
d3 ocra rossa olio
d4basso carminio olio
17
0
10
20
30
40
50
60
400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950
lunghezza d'onda (nm)
rifle
ttanz
a (%
)
a1 azz. olio
a2 lapisl. olio
b4bis azz+lapisl tempera
18
360
440
520
600
680
760
840
920
1000
lunghezza d'onda (nm)
rifle
ttanz
a sp
ettr
ale
(%)
cobalto
CrO2
rame
resinato
terra
malachite
crisocolla
