Rifrattometria e polarimetria

1.3 INTERAZIONI TRA LUCE E MATERIA

Affinché queste interazioni avvengano non è necessario che sia soddisfatta la legge di Plank, ma

l’interazione deve indurre dei cambiamenti delle proprietà elettriche o magnetica della materia.

Per prima cosa deve quindi assorbire 1 quanto di Energia (come dice la Legge di Plank) e poi ciò deve

indurre un cambiamento elettrico o magnetico.

Vediamo alcune interazioni tra luce e materia:

a. EMISSIONE → si ha emissione quando un quanto colpisce la materia. Un corpo

infatti quando è colpito da una radiazione incidente, avente proprietà proprie,

produce emissione di radiazioni. Questo succede sia in caso di energia termica,

elettrica o magnetica. Le radiazioni emesse devono però avere caratteristiche

diverse dalla radiazione incidente. 2

b. ASSORBIMENTO → quando colpisco il campione con una radiazione incidente, che ha propria

lunghezza d’onda λ, frequenza f ed energia E, dal campione esce una radiazione, detta radiazione

trasmessa, in cui varia solo l’intensità e non la frequenza o la lunghezza d’onda. Si ha una

diminuzione dell’intensità luminosa poiché alcune frequenze vengono assorbite e questa energia è

poi dissipata sottoforma di calore. L’assorbimento può essere atomico o molecolare e noi vedremo

quello molecolare e quest’ultimo, osservando lo spettro

elettromagnetico va, scendendo di energia e aumentando

la lunghezza d’onda, dai raggi UV, al visibile, agli IR e alle

Onde Radio. In questa ci includiamo anche la Risonanza

Magnetica Nucleare (RMN)scendendo.

c. FOTOLUMINESCENZA → alcune materie infine fanno tutte e due le cose ovvero sia emettere fotoni

(emissione) e sia trasmettere radiazioni (assorbimento).

1.4 SPETTROSCOPIA DI ASSORBIMENTO

L’assorbimento è la misura della quantità di luce che è assorbita da un campione in funzione della

lunghezza d’onda. Possiamo avere un assorbimento atomico (es. determinazioni quali e quantitative dei

metalli), oppure molecolare ( Etot = E elettronica + E vibrazionale + E rotazionale).

L’assorbimento di una radiazione da parte di una sostanza può essere quantificato andando a misurare la

potenza della radiazione incidente e quella della radiazione trasmessa.

Nella spettroscopia (in particolare UV) si vanno quindi a determinare due tipi di grandezze: TRASMITTANZA

e ASSORBANZA. 3

CAP 2 – RIFRATTOMETRIA

La rifrazione è un fenomeno visibile che consiste nella variazione di direzione di una radiazione luminosa

quando questa attraversa mezzi trasparenti con diverse caratteristiche (densità). Con questa tecnica

vengono analizzati molti farmaci come liquidi puri,eccipienti oppure miscele di più liquidi.

La rifrattometria, come la polarimetria, fa parte delle interazioni tra luce e materia che non danno

assorbimento. Questa tecnica si basa si basa sulla misura di un valore che è detto indice di rifrazione

direttamente correlato con la velocità della luce. Non possiamo invece calcolare la velocità di propagazione.

2.1 LA LEGGE DI SNELL

L’indice di rifrazione è determinato dalla legge di Snell, che dice che quando una radiazione luminosa

attraversa due mezzi, tra cui uno di questi è l’aria e l’altro è un qualsiasi mezzo trasparente, la radiazione

luminosa cambia la sua direzione.

Si osservò che il rapporto tra il sin dell’angolo di incidenza e il sin dell’angolo della luce rifratta è uguale al

rapporto tra le velocità della radiazione luminosa nei due mezzi, ovvero:

Snell dimostrò che vi è un rapporto, che è costante (K), che è detto indice di rifrazione n.

L’indice di rifrazione n, secondo il mezzo 1 che prendo in considerazione può essere:

- Assoluto

- Relativo 4

L’indice di rifrazione assoluto è il valore che è sempre misurato in relazione alla velocità di propagazione

della luce nel vuoto, ovvero è uguale al rapporto fra la velocità di propagazione dell’onda nel vuoto e la

velocità di propagazione dell’onda nel mezzo considerato:

Gli indici di rifrazione assoluti sono tutti maggiori di 1.

L’indice di rifrazione relativo, invece, è dato dal rapporto dal rapporto delle velocita’ di propagazione della

radiazione nei due mezzi, in cui uno dei mezzi è sempre l’aria.

Possiamo inoltre osservare che aumentando la densità del mezzo, diminuisce la propagazione della

luce,mentre, all’aumentare della densità aumenta anche l’indice di rifrazione.

Facciamo alcuni esempi:

1° situazione: MEZZO I < MEZZO II Il mezzo I è l’aria. Osservo che aumentando l’angolo di incidenza,

non se i due angoli sono perpendicolari tra loro, aumenta anche

l’angolo di rifrazione poiché il rapporto è costante. Se colpisco con

un raggio radente a 90° ottengo il massimo angolo di rifrazione detto

angolo limite. Praticamente devo calcolare l’angolo limite per poter

calcolare l’indice di rifrazione. L’angolo limite infatti mi delimita due

diverse zone, una illuminata e una d’ombra che risulta scura poiché

si è superato l’angolo limite e si ha quindi una riflessione totale.

2°situazione: MEZZO I > MEZZO II Se colpisco il mezzo II con una radiazione il cui angolo è maggiore

dell’angolo limite ottengo una riflessione. Se invece mi pongo

sull’angolo limite osservo la formazione dell’angolo di 90°. Questo

secondo angolo è detto angolo critico poiché oltre questo osservo il

fenomeno della rifrazione. A noi interessa l’indice di rifrazione della

sostanza incognita. 5

Come faccio a trovare l’angolo limite? Devo posizionare l’oculare dello strumento nel punto di separazione

delle due zone, ovvero tra quella luminosa e quella buia. Una volta raggiunta questa zona lo stesso

strumento ci da il valore dell’indice di rifrazione della nostra sostanza x.

2.2 RIFRATTOMETRO DI ABBÈ – MISURA DELL’INDICE DI RIFRAZIONE

Lo strumento utilizzato in Rifrattometria è il rifrattometro detto Rifrattometro di Abbé, ed è costituito da

alcune parti fondamentali. Abbiamo una sorgente luminosa che non è una radiazione monocromatica, ma è

una radiazione policromatica, costituita da radiazioni a diversa lunghezza d’onda λ, detta anche luce bianca.

Questa radiazione colpisce il prisma di Abbé dato da due prismi vicini tra cui è stratificata la sostanza che

dobbiamo analizzare. Questo prisma è costituito da calcite, è molto denso ed ha un indice di rifrazione

molto alto. Il prisma corrisponde in poche parole al mezzo II, mentre il mezzo I è dato dalla nostra sostanza.

Dopo che la radiazione luminosa ha attraversato il prisma, poi la sostanza x e poi di nuovo il prisma,

colpisce uno specchio detto specchio di riflessione che mi serve per trovare l’angolo

limite, angolo di 90°. Solo in presenza di questo angolo limite riesco ad osservare una

variazione della velocità di propagazione della luce che ci permette di calcolare l’indice

di rifrazione. La radiazione luminosa a questo punto deve passare nell’oculare in cui

noi osserveremo un campo bipartito in cui ci saranno due zone, una luminosa ed una

buia, non nettamente separate. Questo succede perché la radiazione luminosa

essendo policromatica è costituita da radiazioni con diversa λ e queste radiazioni

vengono rifratte diversamente portando ad una separazione delle due zone sfumata.

Questo fenomeno ci permette di osservare riflessioni multiple. Per risolvere questo

problema il rifrattometro di Abbé presenta nell’oculare un compensatore ottico dato

da prismi detti prismi di Amici che ci permettono così di avere una separazione netta

tra la zona buia e la zona luminosa. Infine possiamo leggere il valore dell’indice di

rifrazione direttamente sullo strumento poiché presenta una scala di valori. 6

2.3 FATTORI CHE INFLUENZANO L’INDICE DI RIFRAZIONE

Ci sono alcuni fattori che influenzano l’indice di rifrazione, questi sono:ù

- TEMPERATURA → l’aumento della temperatura porta ad una diminuzione della densità con

conseguente diminuzione dell’indice di rifrazione assoluto in quel dato mezzo poiché il raggio

luminoso incontrerà un numero minore di molecole per unità di volume. Aumenta inoltre il moto

delle particelle del mezzo e quindi si ha una diminuzione delle interazioni luce-materia.

- LUNGHEZZA D’ONDA → se varia la lunghezza d’onda della radiazione incidente varia anche la

velocità di propagazione e di conseguenza avrò indici di rifrazione diversi. Questa variazione è detta

dispersione ottica. Per questo motivo è stata scelta dalla Farmacopea Ufficiale un valore di λ=589.3

nm, cioè alla radiazione corrispondente alla linea D dello spettro di emissione del sodio (luce gialla

del sodio), perché quasi tutte le sostanze a questo valore di lunghezza d’onda non producono

assorbimento e posso così misurarne l’indice di rifrazione.

- PRESENZA DI CROMOFORI → i cromofori presenti nella molecola non debbono produrre

assorbimenti alla lunghezza d’onda impiegata.

I migliori rifrattometri sono quelli in cui il prisma è posto in una camera termocontrollata in cui si

mantiene una temperatura intorno ai 20°C e inoltre la radiazione luminosa deve essere da una

radiazione monocromatica che ha una λ=589 nm.

2.4 APPLICAZIONI IN FU

La rifrattometria è utilizzata per l’analisi rifrattometrica di sostanze liquide pure o miscele di oli o grassi

al fine di confermarne l’identità. 7

CAP 3 – POLARIMETRIA

la polarimetria fa parte delle interazioni tra luce e materia che non danno assorbimento.

Molti composti, sia di sintesi che di origine naturale, presentano la capacità di ruotare il piano della luce

polarizzata. Questa proprietà, detta potere rotatorio, è legata ad una particolarità strutturale dei composti

che è la chiralità. Infatti la polarimetria misura l’angolo di deviazione della luce polarizzata quando una

molecola chirale otticamente attiva interagisce con essa. Questo è un altro esempio di interazione tra luce

e materia.

La luce polarizzata è costituita da radiazioni che si propagano in un’unica direzione di oscillazione. In queste

radiazioni il vettore che è il campo elettrico oscilla sempre in un solo piano. Quando la luce NON è

polarizzata, invece, e interferisce con una molecola chirale non osserviamo una deviazione dell’onda

elettromagnetica, non perché non abbiamo avuto deviazione dell’angolo ma perché questa luce è costituita

da tutti i possibili campi elettrici che