Una sorgente particolare: il corpo nero
Un tipo di sorgente di luce particolare è quello che si ha quando un corpo raggiunge temperature molto elevate, tanto da diventare incandescente. I fisici chiamano questo tipo di emissione, emissione da corpo nero, ed hanno sviluppato, in particolare il fisico tedesco Max Plank, un modello matematico che prevede la composizione di frequenze ed ampiezze delle varie radiazioni emesse da un corpo a seconda della temperatura cui viene portato il corpo stesso. All'aumentare della temperatura la lunghezza d'onda media emessa diventa sempre più corta ed ad un certo punto la radiazione entra nella banda di radiazioni visibili all'occhio umano. La temperatura a cui inizia a diventare visibile il corpo nero è di circa 1.000 Kelvin (la temperatura in kelvin è uguale a quella in gradi centigradi aumentati di 273.16). A queste temperature il corpo nero appare rossastro. All'aumentare della temperatura il colore si sposta verso il giallo fino ad arrivare al bianco ad una temperatura intorno ai 6.000 kelvin. Aumentando ancora, cioè dai 7.000 kelvin in su, il colore comincia a diventare azzurro e poi blu.
Fig. 8: Corpo Nero a 2000K. |
Fig.9: Corpo Nero a 2000K.
|
Fig. 10: Corpo Nero a 3200K.
|
| |
|
|
Fig. 11: Corpo Nero a 6500K. |
Fig. 12: Corpo Nero a 10000K. |
Fig. 13: Corpo Nero a 15000K. |
Nelle figure sopra, sono mostrati gli spettri emessi dal Corpo Nero al variare della temperatura in kelvin. La forma della distribuzione rimane simile a tutte le temperature, quello che cambia è la posizione e l'altezza del picco che si sposta verso sinistra attraversando lo spettro visibile. Guardando la banda del visibile si vede come al variare della temperatura variano i rapporti di altezza tra i vari colori, cosa che giustifica la variazione di colore complessiva che assume la luce.
Sole, Atmosfera e spettro risultante
Il fatto che intorno ai 6.500 kelvin la luce emessa dal corpo nero ci appaia bianca dipende dal fatto che questa è proprio la temperatura di colore del Sole che, in quanto unica fonte di luce disponibile durante l'evoluzione della vita sulla Terra, per noi è la sorgente di luce naturale di riferimento, e quindi bianca (neutra). In realtà tra l'emissione di corpo nero a 6.500 kelvin e lo spettro di luce del sole (illuminante Daylight D65) ci sono differenze dovute a due cause: il Sole non è un corpo omogeneo (non è un vero corpo nero teorico) ed ha una “superficie” sede di fenomeni estremamente complessi che alterano lo spettro; tra Sole e Terra si interpone l'atmosfera che funziona da filtro ed assorbe le radiazioni in modo diverso a seconda della lunghezza d'onda.
Fig. 14: Illuminante D65 e Corpo Nero a 6500K.
Misura dello spettro: Monocromatori e Spettroradiometri
Una sorgente di luce è quindi generalmente fonte di radiazioni che contengono molte lunghezze d'onda. Utilizzando un particolare strumento, detto monocromatore, è possibile selezionare dalla sorgente solo le radiazioni che cadono in una banda stretta intorno ad una specifica lunghezza d'onda ed ottenere quindi, a valle della sorgente e del monocromatore, una luce monocromatica.
Fig. 15: Monocromatore.
Nella Fig. 15 viene descritto uno dei possibili schemi di monocromatore. La luce della sorgente A entra dalla fessura d'ingresso B e viene collimata (fuoco all'infinito) sul reticolo di dispersione D. La luce dispersa raggiunge lo specchio E e da questo viene focalizzata sul piano d'uscita F, In F quindi si forma l'immagine della fessura B, ma questa immagine è scomposta nelle componenti cromatiche. La purezza della luce G (cioè la sua monocromaticità) dipende dalla dimensione della fessura d'uscita F dalla quale dipende direttamente la larghezza di banda di G.
Uno spettroradiometro svolge la funzione di misurare l'intensità della radiazione al variare della lunghezza d'onda. Le tecnologie utilizzate per la costruzione di uno spettroradiometro sono simili a quelle di un monocromatore, perché in entrambi i casi è necessario separare le diverse componenti in frequenza della sorgente di luce disponibile.
La misura dello spettro può avvenire in due differenti modi: sequenziale o parallelo.
Nella misura sequenziale si dispone di un sensore (una fotocellula) in grado di trasformare la luce che lo colpisce in segnale elettrico. Questo sensore viene posto in una posizione analoga a quella della fessura F del monocromatore e viene utilizzato per misurare l'intensità della radiazione al variare della posizione del reticolo di diffrazione facendo così la scansione di tutto lo spettro.
Nel sistema parallelo viene posto un sensore di immagine (lineare o bidimensionale) in posizione analoga alla fessura F, ma direttamente esposto a tutta l'immagine prodotta dalla lente E. Sul sensore si forma quindi “l'arcobaleno” di colori proveniente dalla griglia di dispersione, ed ogni pixel o fila verticale di pixel, misurerà l'intensità di radiazione di un colore specifico.
Una caratteristica importante di uno spettroradiometro è la risoluzione, ovvero la differenza di lunghezza d'onda minima che lo strumento riesce a distinguere. La Fig. 16 mostra uno spettro misurato con uno strumento a risoluzione di 10 nm (Eye-One Pro con software Babel Color). La Fig. 17 mostra uno spettro a banda strettissima (laser) misurato con uno spettroradiometro a risoluzione di 1.5 nm (SphereOptics con software proprietario). È evidente come la misura del secondo spettro con il primo strumento avrebbe portato ad una misura troppo grossolana per apprezzare la dimensione della banda.
Fig. 16: Spettro a picchi di una lampada a basso consumo.
Irradianza spettrale di sorgente Laser misurata
con spettroradiometro (microwatt /( cm^2*nm)).
|
|
