Con questo laboratorio di making scoprirete alcuni aspetti della luce, costruendo un vero strumento scientifico chiamato spettroscopio. È uno strumento fondamentale in astronomia perché permette di studiare la composizione chimica e lo stato fisico dei corpi celesti che osserviamo. Ovviamente lo spettroscopio che costruirete non è proprio come quelli che usano gli astronomi per osservare le stelle, ma funziona bene e vi permetterà di scomporre la luce delle sorgenti che vi circondano in un arcobaleno di colori, e scoprire alcune loro caratteristiche che altrimenti non riuscireste a vedere. È uno strumento portatile, tutto vostro, che potrete usare quando volete, a casa o in giro per strada, per andare a caccia di spettri!
Prima di cominciare, cerchiamo di capire cosa sia uno spettro.
La luce è una forma di energia che ci permette di vedere quello che ci circonda. I corpi che «fanno» luce si chiamano «sorgenti luminose» e possono essere di due tipi: naturali e artificiali.
La luce sembra bianca (o meglio, trasparente) ma in realtà è composta da tutti i colori dell’arcobaleno, mescolati insieme. Ci accorgiamo che le cose hanno un colore solo quando la luce (naturale o artificiale che sia) le colpisce e viene in parte riflessa, per poi entrare nei nostri occhi. Per esempio, se avete davanti un oggetto rosso, voi lo vedete rosso perché la luce che lo colpisce viene assorbita tutta tranne il colore rosso, che viene riflesso, entra nei vostri occhi e si fa vedere come tale. Stessa cosa per gli altri colori, a eccezione del nero e del bianco che in realtà non sono colori veri bensì l’assenza del colore, nel caso del nero (perché la luce incidente sull’oggetto nero viene assorbita completamente), e il bianco (che riflette tutti i colori della luce). Capite quindi perché in estate è meglio vestirsi con colori chiari!
Qui accanto vedete delle onde colorate, che rappresentano le onde che “portano” i diversi colori. La distanza tra due creste (o tra due valli, o tra due inizi della forma dell’onda) si chiama lunghezza d’onda ed è una caratteristica fondamentale della luce. Ogni colore ha la sua lunghezza d’onda, dalla più corta (il violetto) alla più lunga (il rosso). L’unità di misura riportata accanto al numero è il nanometro (il cui simbolo è “nm”) e corrisponde a una lunghezza che è un miliardo di volte più corta del metro.
Passando dal violetto al rosso, come potete vedere, la lunghezza d’onda aumenta e nello stesso spazio “ci stanno” meno onde, proprio perché un ciclo completo occupa più spazio. Si potrebbe fare un’analogia con delle gocce d’acqua che cadono in un bicchiere: ogni volta che arriva un “picco” dell’onda si potrebbe immaginare che questa trasferisca una quantità “fissa” di energia, come se fosse una goccia d’acqua che cade nel bicchiere. In un dato tempo la luce blu trasporta più gocce della luce rossa. Ossia, la luce blu trasporta più energia della luce rossa.
Normalmente i colori nella luce sono tutti mescolati e non si riescono a distinguere. Per riuscire a mettere ordine nei colori della luce serve qualcosa in grado di separarli. Potrebbe essere una gocciolina d’acqua (vi ricorda qualcosa?), un pezzettino di cristallo (avete presente i lampadari con le gocce di cristallo della nonna?) oppure un “pezzo di vetro” chiamato prisma.
Il prisma è un oggetto trasparente, come riportato nell’immagine a sinistra. Il fascio di luce (bianco) entra e viene rifratto (parola un po’ difficile, me ne rendo conto, ma si chiama proprio così il fenomeno fisico che avviene: rifrazione). Cosa succede? Ogni colore della luce subisce una deviazione, quando entra nel prisma, che dipende dalla lunghezza d’onda del colore stesso.
Come vedete, le onde rosse vengono deviate di meno di quelle violette. Stessa cosa succede quando i raggi di luce escono dal prisma. In questo modo, la luce che esce dal prisma non è più bianca ma è una fascia di colori tutti belli ordinati, dal rosso al violetto: l’arcobaleno! L’arcobaleno della luce è il suo spettro. Vedrete con i vostri occhi (grazie allo spettroscopio) che non tutte le luci riescono a fare l’arcobaleno.
Adesso partiamo a costruire lo strumento che vi permetterà di andare a caccia di spettri. Il materiale che vi serve è il seguente:
- forbici, righello, biro, scotch, colla, cartoncino nero A4, un CD o DVD (può essere di qualsiasi tipo: nuovo/registrato/video ma la superficie va eventualmente pulita);
- una stampa del foglio scaricabile a questo link;
- un cutter (o taglierino) che deve essere usato da un adulto perché potrebbe essere pericoloso.
Come vedete non abbiamo un prisma a disposizione ma vi assicuro che verrà bene lo stesso. Sfrutteremo, in questo caso, un altro fenomeno fisico: la diffrazione, che studierete quando sarete più grandi.
Per prima cosa, attaccate il foglio su cui è stampato lo spettroscopio su un cartoncino nero. È importante che sia nero perché l’interno dello spettroscopio che andremo a costruire non deve riflette la luce che entra. Usate preferibilmente una colla stick, dando una mano leggera (senza creare grumi sul foglio).
Con le forbici, ritagliate la forma riportata sul foglio, lungo le linee continue del suo bordo. Mi raccomando, non tagliate lungo le linee tratteggiate.
Adesso vi serve l’aiuto di un adulto, solo per qualche minuto. Vedete le due piccole fenditure strette e lunghe? Bisogna ritagliarle con un cutter (un taglierino), per creare due fessure sottili sottili (proprio come è indicato). I tagli devono essere precisi, stando sulle linee, e belli dritti.
A questo punto dobbiamo piegare tutte le linee tratteggiate che vedete. Le pieghe però devono essere perfette. Vi svelo un trucco per farle perfette: prendete un righello e accostatelo sulla riga tratteggiata. Con una biro (non importa il colore, basta che abbia la punta di una biro) andate avanti e indietro 5 volte, spingendo sul cartoncino. Vedrete che alla fine, quando andrete a piegare il cartoncino, si piegherà perfettamente. Fate così per tutte le righe tratteggiate, sia quelle con il tratteggio corto che quelle con il tratteggio misto (le due alette laterali).
Ora si piega. Dove c’è il tratteggio corto, piegate verso il basso. Le due alette invece (tratteggio misto) piegatele verso l’altro.
Preparate una striscia di scotch di circa 5 cm. Chiudete lo scatolino in corrispondenza delle due alette corte e mettete lo scotch sotto la fenditura (non copritela, mi raccomando) in modo che lo scatolino stia ben chiuso. Se avete dei dubbi guardate il video con le istruzioni di montaggio, riportato in fondo alla pagina.
Preparate un pezzo di scotch lungo circa 10 cm.
Adesso prendete il CD/DVD e infilate un dito nel buco centrale, tenendo la parte che riflette rivolta verso l’alto. Poi inserite il CD/DVD nello scatolino, come se fosse il becco di un’anatra che se lo vuole mangiare.
La linguetta piccolina deve abbracciare il CD/DVD. Nella parte sottostante, tirate un pochino il cartone verso la linguetta e usate lo scotch per tenerle ferme entrambe, partendo dalla linguetta e arrivando all’altro pezzo di cartoncino, sotto alla scatolina. Mettete due pezzi di scotch anche sulle ali laterali, in modo che siano fissate bene sul CD/DVD e che non entri luce.
Controllate che non ci siano spiragli dai quali può entrare luce nello scatolino, che non siano le due fenditure.
Ora che avete costruito il vostro strumento, vediamo come si usa. In una delle due fenditure c’è scritto occhio. Rivolgetevi verso una sorgente luminosa, come ad esempio la luce della stanza in cui siete. Tenete il CD/DVD con una o due mani, come preferite, davanti a voi e inclinatelo di circa 45 gradi, con la fenditura con su scritto “occhio” rivolta verso di voi. Accostate l’occhio alla fenditura e guardate dentro allo spettroscopio, la superficie del CD/DVD. Dovreste vedere lo spettro della luce che state osservando. Se non lo vedete, inclinate il CD/DVD piano piano, finché non lo trovate!
Una sorgente molto semplice da osservare è il Sole ma attenzione: non puntate lo spettroscopio direttamente verso il Sole, basta puntarlo verso il cielo (azzurro o nuvoloso che sia).
Andando a caccia di spettri, vedrete che usando lo spettroscopio con lampadine a risparmio energetico non si vedrà l’arcobaleno bensì solo alcune righe colorate, su uno sfondo nero. Sono spettri a righe, a differenza dell’arcobaleno che viene chiamato spettro continuo della luce. La luce, in questo caso, viene emessa da processi fisici diversi. Mentre nel caso di una normale lampadina (o del Sole) la luce viene emessa perché la sorgente è molto calda (migliaia di gradi), nel caso della lampadina a risparmio energetico c’è un gas (freddo) i cui elettroni, che normalmente orbitano a una certa distanza dai nuclei, vengono eccitati e saltano su orbite più lontane, per poi ricadere dopo poco sull’orbita originale. Facendo questo, emettono luce! Ma la luce che emettono dipende dalla differenza di energia delle due orbite, quindi ha un colore ben preciso, che rappresenta l’energia di quel saltino.
Ogni gas, di ogni elemento chimico, ha i suoi elettroni più o meno distanti dal nucleo, e può fare solo certi saltini. Quindi lo spettro di un gas (ossia l’insieme delle righe colorate che vengono emesse dagli elettroni di quel gas, nei loro saltini) è tipico di quel gas. Solo lui si comporta così e ha quelle righe colorate. In questo senso si può dire che lo spettro è l’impronta digitale del gas, di quell’elemento. Se vediamo certe righe, possiamo dire chi le ha emesse. Capite perché è importante guardare le stelle con uno spettroscopio? Perché ci permette di capire di cosa sono fatte.
In realtà, questo strumento è molto più potente: non solo ci permette di capire quali elementi costituiscono la sorgente astrofisica, ma riusciamo anche a derivare la sua temperatura, la densità del gas e riusciamo a capire se si sta avvicinando o allontanando da noi!
Questo laboratorio è basato su un concept di Arvind Paranjpye (Inter-University Centre for Astronomy & Astrophysics – India), riaddattato da Association GAPPIC (Groupe d’accompagnement pédagogique du Pic du Midi) e tradotto in italiano da Luciano Nicastro, per INAF.
Guarda il video con le istruzioni di montaggio.
