Analisi spettrale

Volare verso le stelle

Lasciamo che siano altri a farlo, anche se utilizziamo tutti la stessa tecnologia. Che si tratti di ricerca spaziale, come in questa immagine dell’ETH di Zurigo della galassia ad anello polare NGC 4650A nella costellazione del Centauro, o della fusione nella fonderia di ferro Brechmann-Guss, tutti noi utilizziamo una scoperta fondamentale dei signori Kirchhoff, Foucault e Bunsen della metà del XIX secolo, quando riuscirono a identificare gli spettri di emissione del sodio e di altri elementi e a collegarli alle linee di Fraunhofer dello spettro solare (spettroscopia atomica).

Analisi dello spettro di emissione

Per spiegare il processo, partiamo da un semplice modello atomico in cui gli elettroni orbitano attorno al nucleo atomico su orbite (gusci) ben definite, dove ogni guscio può contenere solo un certo numero di elettroni. Il numero di elettroni per guscio può essere inferiore, ma non può mai essere superiore. Ogni elettrone ha una certa energia sul suo guscio, che è caratteristica dell’elemento chimico specifico.

Una sorta di impronta digitale

Più l’orbita di un elettrone è lontana dal nucleo, maggiore è l’energia dell’elettrone. Tuttavia, esso “preferirebbe” trovarsi nei gusci più interni, poiché gli atomi tendono a raggiungere uno stato di energia minima. Se si libera un posto in un guscio interno, questo viene immediatamente occupato da un elettrone che si trova più all’esterno. Tuttavia, sulla shell esterna l’elettrone ha più energia che su quella interna.

L’elettrone deve cedere questa energia se vuole saltare verso l’interno. Ciò avviene attraverso l’emissione di radiazioni. La radiazione emessa corrisponde alla differenza di energia tra il guscio da cui l’elettrone salta e il guscio su cui l’elettrone salta. Tuttavia, poiché le energie dei due gusci sono caratteristiche del rispettivo elemento chimico, lo è anche la loro differenza di energia. In altre parole: la radiazione rilasciata caratterizza in modo assolutamente univoco l’elemento chimico eccitato, come una sorta di impronta digitale.

La spettroscopia a fascio di elettroni sfrutta questo effetto

Viene fornita energia (il campione di tallio applicato viene messo sotto tensione nell’apparecchio) – gli elettroni “saltano” ed emettono radiazioni. Nello spettrometro, la radiazione emessa dagli elettroni viene scomposta per la successiva analisi spettrale.

Spettrometri moderni ad alta prestazione

Quando uno spettrometro moderno analizza un campione di ghisa contenente molti elementi chimici, si generano innumerevoli linee spettrali (quelle del ferro, del carbonio, del silicio, …). Uno spettrometro moderno ad alte prestazioni “vede” migliaia di linee spettrali dopo la scomposizione della radiazione.

Il dispositivo analizza matematicamente l’energia e l’intensità delle linee spettrali. Le energie delle linee spettrali forniscono informazioni sugli elementi chimici che compongono il campione. Le intensità delle linee spettrali forniscono informazioni sulla concentrazione dei rispettivi elementi chimici nel campione. Confrontando i dati con le curve di calibrazione presenti nel database interno dello strumento, è possibile determinare in modo dettagliato la composizione chimica del campione esaminato.

Analisi chimica

L’unità di misura dello spettrometro trasmette quindi le energie e le intensità misurate al computer dello spettrometro, che “consulta” il suo database delle curve di calibrazione e può così assegnare un’analisi chimica a ciascuna misurazione. In questo modo è possibile assegnare la composizione chimica a ogni “campione di tallero”, indipendentemente dal fatto che si tratti di ghisa con grafite sferoidale, ghisa con grafite lamellare, legata con SiMo o ad alto contenuto di nichel (Ni-Resist).

Gli astronomi o gli astrofisici del Politecnico federale di Zurigo lavorano in modo simile: misurano la luce e riflettono sull’universo e sulla sua origine…

Il nostro obiettivo è leggermente diverso, ma anche per noi vale lo stesso principio: la qualità è il nostro metro di misura!