L'origine dei colori

Premessa:

Che cosa rende verde un rubino e rosso uno smeraldo? La prima risposta che si può dare alla domanda è molto semplice. Quando la luce bianca attraversa il cristallo di rubino ne emerge modificata, con una percentuale molto alta di radiazioni di grande lunghezza d'onda, che l'occhio vede come luce rossa. La luce che attraversa uno smeraldo ne emerge con una composizione spettrale diversa, che produce la sensazione del colore verde. Si tratta di una spiegazione corretta ma poco soddisfacente. Manca infatti qualsiasi accenno ai meccanismi con i quali la materia è in grado di modificare la composizione spettrale della luce incidente. Il colore del rubino e nello smeraldo sono dovuti alla presenza di una medesima impurezza. Perché possiedono un colore tanto diverso? Qual'è l'origine delle sottili differenze che si osservano fra i colori delle diverse sostanze? Le cause ultime della sensazione del colore sono parecchie e alquanto diverse. Nella classificazione informale, adottata in questo articolo, compaiono 14 categorie di cause, alcune delle quali comprendono più fenomeni tra loro correlati. Ma, con una sola eccezione, i vari meccanismi possiedono un elemento in comune: la causa fisica che produce alla fine la sensazione del colore è l'interazione della radiazione con gli elettroni. Tali dichiarazioni sono state uno dei principali argomenti di ricerca dei fisici del nostro secolo e quindi non può sorprendere che la spiegazione dell'origine dei colori si basi su parecchie teorie fondamentali. In effetti il colore è la manifestazione visibile delle leggi profonde che determinano la struttura della materia.

I gradini dell'energia

La percezione dei colori è un'esperienza soggettiva nella quale hanno un ruolo importante fattori psicologici e fisiologici. Non ci occuperemo in dettaglio di tali problemi. Sembra comunque ragionevole, ai nostri fini, assumere che il colore percepito è il risultato di una misura eseguita dall'occhio e di un'interpretazione data dal cervello della composizione spettrale della radiazione osservata. Il significato di questa assunzione è chiaro nel caso della luce monocromatica, composta da una radiazione con una lunghezza d'onda, o frequenza o energia, ben definita. Se la luce osservata è costituita da una miscela di radiazioni con lunghezza d'onda diversa il discorso si complica, ma sono sempre i contributi relativi delle diverse radiazioni che determinano il colore percepito. Lunghezza d'onda, frequenza ed energia sono modi equivalenti per caratterizzare una radiazione. L'energia è direttamente proporzionale alla frequenza, mentre energia e frequenza sono inversamente proporzionali alla lunghezza d'onda. In altre parole, elevate frequenze e  grandi energie corrispondono a piccole lunghezze d'onda, come nella parte violetta dello spettro visibile. Una unità di misura comune per le lunghezze d'onda è il nanometro (nm), che equivale a un miliardesimo di metro. Una unità di misura conveniente per l'energia della radiazione visibile è l'elettronvolt (eV), cioè l'energia acquistata da un elettrone accelerato dalla differenza di potenziale di un volt. In termini di lunghezza d'onda, lo spettro delle radiazioni visibili è compreso fra circa 700 nm, dove il rosso sfuma nell'infrarosso, e circa 400 nm, ai margini della radiazione ultravioletta. In termini di energia, tale spettro è compreso fra 1,77 e 3,1 elettronvolt. In tutte le interazioni fra la radiazione elettromagnetica della materia vale sempre la legge fondamentale della meccanica quantistica secondo la quale gli atomi possono esistere solo in stati discreti, ognuno caratterizzato da un ben definito livello di energia. I livelli intermedi sono proibiti. Il valore più basso possibile e detto stato fondamentale e gli altri livelli, detti stati eccitati, si dispongono sopra quello fondamentale formando come i gradini di una scala, il solo posto su cui si può appoggiare il piede. La distanza fra tali gradini è molto variabile.

La luce o qualsiasi altra radiazione può venire assorbita solo se possiede esattamente l'energia necessaria per trasferire l'atomo da un livello a un altro superiore. Parimenti, quando un atomo decade da uno stato eccitato a uno più basso deve emettere una radiazione che porta con sé tutta l'energia che si deve perdere nel salto fra i due livelli. Questa energia si manifesta come fotone, o quanto di luce, la cui frequenza e lunghezza d'onda sono determinate dalla differenza di energia fra i due livelli. Gli stati che presentano il maggiore interesse per l'origine del colore sono quelli che rappresentano i vari possibili livelli energetici degli elettroni. Negli atomi, ioni e molecole ogni elettrone deve occupare un orbitale e descrive una particolare distribuzione spaziale della carica dell'elettrone intorno al nucleo atomico. A loro volta gli orbitali sono organizzati in strati. Un ulteriore limite al numero degli stati possibili è posto dal fatto che ogni gradino della scala delle energie può venire occupato solo da un numero limitato di elettroni. In generale, procedendo dagli atomi più leggeri verso quelli più pesanti, gli elettroni si aggiungono in sequenza ordinata, a partire dai livelli più bassi. Il primo strato si riempie con due soli elettroni, i due immediatamente superiori richiedono ognuno otto elettroni. Negli strati pieni di elettroni si dispongono a coppie e la configurazione dello strato è notevolmente stabile. Per far saltare uno degli elettroni accoppiati sul primo livello libero sovrastante occorre una quantità di energia non trascurabile. L'energia necessaria per una simile transizione può venire fornita, in genere, solo dalla radiazione ultravioletta o addirittura dalla zona X. dello spettro. Ne segue che gli strati completi non contribuiscono direttamente alla formazione dei colori. Questa è dovuta generalmente alle transizioni degli elettroni spaiati, che molto spesso sono i più esterni. Si tratta in definitiva degli elettroni di valenza, cioè quelli responsabili della formazione dei legami chimici.

I meccanismi della formazione

del colore possono venire suddivisi in 14 categorie appartenenti a cinque classi più ampie. A parte uno solo (vibrazione degli atomi in una molecola) tutti i meccanismi possono risalire a cambiamenti nello stato degli elettroni nella materia. Le transizioni elettroniche sono alla base di tanti meccanismi perché l'energia per eccitare un elettrone cade spesso nello spettro del visibile.

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