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1 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) λ campo elettrico campo magnetico lunghezza d’onda λ e frequenza ν sono inversamente proporzionali, il loro prodotto dà la velocità della luce c: λν = c Energia ( E = hν )

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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 )

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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)

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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

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6

SPETTROFOTOMETRIA

• SPETTROSCOPIA• SPETTROMETRIA• SPF• FORS (Fiber Optics Reflectance

Spectroscopy)• RS (Reflectance Spectroscopy ma anche

Raman Spectroscopy !!! )Tutti sinonimi

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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

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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

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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

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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

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Misura dell’ energia riflessa per ogni λ rispetto a uno standard calibrato

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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

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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