Quando la luce bianca di una stella attraversa la sua atmosfera, gli atomi presenti in quell’atmosfera assorbono selettivamente le lunghezze d’onda corrispondenti alle loro transizioni energetiche. La luce che arriva fino a Terra, fatta poi passare attraverso un reticolo o un prisma, mostra quindi uno spettro continuo interrotto da righe scure: sono le righe di Fraunhofer. Ogni riga scura è una “firma” inconfondibile di un preciso elemento chimico.
Spettro di assorbimento. Sul fondo continuo dei colori della luce bianca compaiono righe scure alle lunghezze d’onda assorbite dagli atomi dell’atmosfera stellare: ciascuna riga identifica un elemento (idrogeno, sodio, calcio, …).
Perché le righe sono scure e non colorate? Un atomo di idrogeno nello stato fondamentale può assorbire soltanto un fotone di esattamente eV per salire a , oppure di eV per salire a , e così via. La luce bianca della stella contiene tutte le frequenze, ma solo queste, ben definite, vengono “rubate” dagli atomi dell’atmosfera. Gli atomi eccitati poi riemettono quei fotoni — ma in tutte le direzioni, isotropicamente. In pratica quasi tutti i fotoni a quelle particolari frequenze vengono deviati fuori dalla linea di vista, così quella lunghezza d’onda raggiunge l’osservatore fortemente attenuata: ecco la riga scura.
Principio — Spettri e livelli
Una riga scura alla frequenza significa che nell’atmosfera stellare esiste un elemento con una transizione di energia esatta. Misurare le righe equivale a misurare le differenze fra i livelli energetici degli atomi: se i livelli fossero continui, lo spettro sarebbe uniformemente attenuato, senza alcuna riga.
Esempio — Come Fraunhofer iniziò la chimica cosmica
Nel 1814 Joseph Fraunhofer osservò centinaia di righe scure nello spettro solare, numerandole con lettere (A, B, C, …). Mezzo secolo più tardi Kirchhoff e Bunsen dimostrarono in laboratorio che ognuna di quelle righe coincideva con lo spettro di assorbimento di un elemento: la riga D corrisponde al sodio, la C all’idrogeno, e così via. Per la prima volta nella storia si poteva conoscere la composizione chimica di un oggetto senza toccarlo — anzi, di un oggetto a km da noi. La scoperta dell’elio (1868) avvenne addirittura prima sul Sole, in una riga dello spettro raccolto durante un’eclisse, e solo anni dopo anche sulla Terra: da qui il nome, dal greco hélios, “sole”.
Righe brillanti nelle nebulose
Le stesse righe, ma brillanti su fondo nero, si osservano nelle nebulose ionizzate: gli atomi eccitati, in assenza di una sorgente continua di fondo, emettono esattamente alle stesse frequenze a cui altrove assorbono. È la complementarità fisica fra assorbimento ed emissione, sempre alle medesime transizioni quantizzate.
Collegamenti
Argomenti: Fisica quantistica Concetti: Modello di Bohr · Fotone
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