L'origine dei colori

Le transazioni atomiche

 Consideriamo

un vapore dell'elemento sodio di densità sufficientemente bassa perché ogni atomo agisca indipendentemente da tutti i suoi vicini. L'atomo di sodio possiede 11 elettroni, ma 10 di essi fanno parte dei primi due strati completi. È quindi solo l'ultimo elettrone di valenza che prende parte alle interazioni dell'atomo con la luce. Quando l'atomo di sodio si trova nel suo stato fondamentale e l'elettrone esterno occupa un orbitale che viene designato 3S1/2. I livelli energetici superiori più vicini (i primi scalini più in alto della scala) sono detti 3P1/2  e 3P3/2,  cui corrispondono rispettivamente energie di 2,103 e 2,105 elettronvolt sopra quella dello stato fondamentale. Queste sono le più piccole quantità di energia che possano venire assorbite da un atomo di sodio nello stato fondamentale. Esse corrispondono lunghezze d'onda di 589,6 e 589,1 nm, nella regione gialla dello spettro. Al di sopra degli orbitali 3P si trova una moltitudine di altri stati eccitati corrispondenti a una maggiore distanza media degli elettroni dal nucleo e una loro maggiore energia. Il numero di questi stati possibili è infinito, ma la distanza fra due stati successivi rimpicciolisce all'aumentare del energia, in modo che la serie converge a un limite finito. Perciò da questo limite in poi a 5,12 elettronvolt  a tal punto l'elettrone più esterno non può più dirsi eccitato, ma è semplicemente del tutto isolato dall'atomo di appartenenza. In altre parole l'atomo è ionizzato.

Poniamo di avere un atomo di sodio  ionizzato, per esempio da un quanto di radiazione ultravioletta, e che avvenga la ricombinazione fra lo ione e l'elettrone libero. Inizialmente l'elettrone può occupare uno degli orbitali più esterni, ma poi decade rapidamente allo stato fondamentale. Se questo decadimento avviene in una sola fase, dal livello di ionizzazione al livello fondamentale, l'atomo emetterebbe un solo fotone ultravioletto con un'energia pari a 5,12 elettronvolt. È però più probabile che il processo avvenga per stadi successivi, passando per i livelli intermedi con salti accompagnati sempre dall'emissione di un fotone. Non tutti i possibili processi a cascata sono permessi. Delle <<regole di selezione>> determinano quelle consentite. La maggior parte delle sequenze permesse passano attraverso uno degli orbitali 3P e di qui, direttamente, allo stato fondamentale.

Ne segue che fra i vari quanti di luce emessi si trovano quelli di energia pari a 2,103 e 2,105 elettronvolt, nello spettro del giallo. In effetti, queste due righe di emissione sono di gran lunga le più intense nello spettro di emissione degli atomi di sodio e un vapore di sodio  eccitato o ionizzato emette una brillante luce gialla. Questa caratteristica colorazione gialla della luce emessa dal sodio si osserva facilmente scaldando un sale di questo metallo in una fiamma a temperatura sufficientemente elevata per vaporizzarlo. In chimica analitica questa proprietà consente la determinazione sia qualitativa e quantitativa dei sali di sodio. Il doppietto di righe gialle predomina anche nello spettro delle lampade a vapori di sodio, nelle quali gli atomi del metallo vengono ionizzati da una scarica ad alta tensione. Anche altri atomi producono delle righe di emissione caratteristiche quando vengono lasciati decadere allo stato fondamentale in seguito a eccitazione o ionizzazione. In ogni elemento, però, la distanza fra i livelli permessi è diversa e quindi è diverso il colore della luce emessa. Nel neon le righe più intense si trovano nella parte rossa dello spettro, il che spiega la colorazione rossa delle insegne luminose al neon. Il mercurio possiede le linee principali nelle regioni del verde e del viola dello spettro visibile e infatti le lampade a vapori di mercurio producono una luce bluastra carente di rosso e di giallo. I laser con cavità riempita di gas monoatomico utilizzano righe di emissione del tipo di quelle appena descritte. Anche i fulmini e gli archi elettrici emettono una luce dovuta a eccitazione degli atomi del gas in cui vengono prodotti.

Le interazioni della luce con la materia comprendono la riflessione, la rifrazione, la diffusione e l'assorbimento. Parte della radiazione assorbita può anche venire riemessa come fluorescenza. Gli effetti di queste interazioni possono dipendere dalla lunghezza d'onda della radiazione che interagisce, dando origine a dei colori. L'assorbimento selettivo di lunghezze d'onda brevi può rendere un oggetto giallo, arancio o rosso, a seconda dell'estensione dell'assorbimento. Gli stati condensati della materia assorbono le bande di lunghezza d'onda più ampie e continue ma non righe discrete.

Il diagramma a scalini dei livelli di un atomo di sodio definisce uno spettro discreto di lunghezze d'onda, le sole che possono venire emesse o assorbite dall'atomo. Per salire di un livello l'atomo deve assorbire un quanto di radiazione, la cui energia corrisponde esattamente alla differenza fra le energie degli stati iniziale e finale. Ricadendo sul gradino inferiore l'atomo emette un quanto della stessa energia. La maggior parte delle transizioni in discesa passano attraverso i livelli designati 3P1/2  e 3P3/2  fino allo stato fondamentale 3S1/2  In queste transizioni vengono emessi dei quanti con energie di 2,103 e 2,105 eV, nel diagramma a scalini hanno significato solo le distanze in verticale, la separazione orizz. dei livelli è fatta solamente per chiarezza.