Per anni gli scienziati si sono arrovellati nel tentativo di spiegare la disposizione che gli Z elettroni assumono attorno al nucleo. Per indagare le strutture interne degli atomi, si effettuano osservazioni indirette basate sulle proprietà della luce che gli atomi emettono quando stimolati dal calore o da una scarica elettrica. L’analisi della luce emessa o assorbita dalle sostanze costituisce la branca della chimica detta spettroscopia.

La luce è una forma di radiazione elettromagnetica costituita da un campo elettrico e un campo magnetico oscillanti (variabili nel tempo) che procedono nel vuoto alla velocità di 3,00 × 10⁸ m · s^–1, ovvero a oltre 1072 milioni di kilometri all’ora. Tale velocità si indica con c e si definisce «velocità della luce». La luce visibile è una forma di radiazione elettromagnetica, come le onde radio, le microonde e i raggi X. Queste forme di radiazione trasferiscono energia da una regione all’altra dello spazio.

Il campo elettrico della radiazione elettromagnetica oscilla sia nel verso sia nell’intensità (figura 1.7). Il numero delle oscillazioni complete al secondo si chiama frequenza, ʋ, della radiazione. L’unità di misura della frequenza è 1 hertz (1 Hz) che vale 1 ciclo al secondo: 1 Hz = 1 s^–1.

Un’istantanea dell’onda di radiazione elettromagnetica che avanza nello spazio avrebbe l’aspetto della figura 1.7. L’ampiezza è l’altezza dell’onda rispetto all’asse orizzontale centrale. Il quadrato di tale ampiezza determina l’intensità, ossia la brillantezza, della radiazione. La lunghezza d’onda, λ , è la distanza tra un picco e quello successivo; la lunghezza d’onda della luce visibile ha valori prossimi a 500 nm. Si tratta di una lunghezza molto maggiore del diametro degli atomi, che si aggira di regola intorno a 0,2 nm.

 Le diverse lunghezze d’onda della radiazione elettromagnetica corrispondono alle diverse regioni dello spettro (tabella 1.1). I nostri occhi percepiscono la radiazione elettromagnetica di lunghezza d’onda compresa tra 700 nm (luce rossa) e 400 nm (luce violetta), chiamata luce visibile; la frequenza della luce visibile ne determina il colore. La luce bianca, che comprende quella solare, è una miscela di tutte le lunghezze d’onda della luce visibile (figura 1.8).

Immaginiamo ora che l’onda della figura 1.7 sfrecci alla sua velocità effettiva, quella della luce, c. La relazione tra la lunghezza d’onda, la frequenza e la velocità della luce è:

Che cosa dice questa equazione?

Se la lunghezza d’onda è molto piccola, per un dato punto passerà un grandissimo numero di oscillazioni complete; se è lunga, la luce viaggerà sempre alla velocità c, ma per lo stesso punto passerà un numero minore di oscillazioni complete. Una lunghezza d’onda piccola corrisponde a una radiazione di frequenza elevata e viceversa.

Per quanto ne sappiamo la lunghezza d’onda della radiazione elettromagnetica non ha limiti nè superiori nè inferiori (figura 1.9). La radiazione ultravioletta presenta frequenza superiore a quella della luce violetta; la sua lunghezza d’onda è minore di 400 nm. Questa componente della radiazione solare è nociva; essa infatti, oltre a essere responsabile delle scottature e dell’abbronzatura, sarebbe in grado di distruggere qualsiasi forma di vita sulla Terra se non fosse filtrata dallo strato di ozono. La radiazione infrarossa, che percepiamo come calore, presenta frequenza inferiore e lunghezza d’onda maggiore; la sua lunghezza d’onda supera gli 800 nm circa. Le microonde, sfruttate dai radar, dai forni a microonde e dai cellulari hanno lunghezze d’onda dell’ordine dei millimetri-centimetri.

Concetto chiave

Il colore della luce dipende dalla frequenza e dalla corrispondente lunghezza d’onda; la radiazione di lunghezza d’onda maggiore presenta frequenza minore e viceversa.