Rifrattometria e polarimetria

Capitolo 1 - La natura della luce

La luce, o radiazione elettromagnetica, è paragonabile ad un’onda armonica che si propaga nel vuoto alla velocità della luce, ovvero 300.000 Km/s, attraverso un movimento sinusoide ed è caratterizzata da un campo elettrico e da un campo magnetico in fase tra di loro, ovvero perpendicolari tra loro.

Teorie sulla natura della luce

• Teoria corpuscolata: Formulata da Newton, sosteneva che la luce fosse composta di corpuscoli di massa diversa che si propagano in tutte le direzioni in linea retta.
• Teoria ondulatoria: Formulata da Huygens, riteneva che la luce si comportasse come se fosse un’onda.

L'onda elettromagnetica può essere definita secondo i seguenti parametri:

• Lunghezza d’onda (λ)
• Velocità (c)
• Ampiezza d’onda

Possiamo definire i seguenti parametri: c = νλ, E = hν, σ = 1/λ, dove c è la velocità, E è l’energia e σ è il numero d’onda che è l’inverso della lunghezza d’onda.

Rapporto lunghezza d’onda-frequenza

Quando un’onda elettromagnetica attraversa mezzi diversi cambia la sua lunghezza d’onda, ma non cambia né la frequenza, che rimane invariata, né la sua energia; ciò che varia è la velocità di propagazione. Infatti, diverse densità del mezzo producono diverse velocità di propagazione. Questo definisce la rifrazione, che è il rapporto tra la velocità della luce c e la velocità in un dato mezzo v.

Lo spettro elettromagnetico

Dallo spettro possiamo osservare che abbiamo le onde radio quando la distanza tra due creste è notevole (come un campo di calcio), e queste presentano un’elevata lunghezza d’onda λ, ma bassissima energia E. Al contrario, i raggi gamma γ hanno una bassissima lunghezza d’onda λ e quindi le creste saranno vicinissime e altissima energia E. Più piccola è la distanza tra le creste e maggiore è la capacità di penetrazione dell’onda. Tra le onde radio e le onde FM troviamo la Risonanza Magnetica Nucleare, e in questo caso si parla di interazione tra campi magnetici e nella RMN si osserva una variazione della rotazione del nucleo ovvero cambia lo stato magnetico del nucleo.

Poi abbiamo il Lontano-Infrarosso in cui si ha una rotazione della molecola nello spazio a cui è associata una produzione di calore. Invece, nell’Infrarosso ho la vibrazione dei legami della molecola che si muovono stirandosi e comprimendosi. Abbiamo poi l’Ultravioletto UV in cui si ha una transizione degli orbitali occupati a più bassa energia e quelli vuoti a diverso livello energetico. Abbiamo poi una piccolissima parte che corrisponde al Visibile e i Raggi X.

Interazioni tra luce e materia

Affinché queste interazioni avvengano non è necessario che sia soddisfatta la legge di Planck, ma l’interazione deve indurre dei cambiamenti delle proprietà elettriche o magnetiche della materia. Per prima cosa deve quindi assorbire 1 quanto di Energia (come dice la Legge di Planck) e poi ciò deve indurre un cambiamento elettrico o magnetico.

Vediamo alcune interazioni tra luce e materia:

• 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.
• 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 sotto forma 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).
• Fotoluminescenza: Alcune materie infine fanno tutte e due le cose ovvero sia emettere fotoni (emissione) sia trasmettere radiazioni (assorbimento).

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.

Capitolo 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 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.

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), detto indice di rifrazione n.

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

• Assoluto
• Relativo

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 delle velocità 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.

Esempi 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.

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.