LA FORMAZIONE DEL COLORE Cos il colore Perc

LA FORMAZIONE DEL COLORE Cos’è il colore? Perc h colo é le solu r cont e a secon zioni col enito o da d re? elle rate cam dim ensi biano oni d el Per col ché g o e d re a li ogg el e tipo secon tti c da am di luc dell biano e? ’int ens ità Da dove viene? ire p ca n a u o è i cc lore ? a f e co to? ? m e t Co i ch gge d o

La presenza di un colore richiede tre cose: o una sorgente di illuminazione o Un oggetto che interagisce con la luce che viene da questa sorgente o Un occhio umano (rivelatore per osservare l’effetto di questa interazione In assenza di anche uno di questi, non si ha esistenza del colore Quindi una esatta conoscenza dei principi di base del fenomeno “colore” comporta una conoscenza di tutti e tre questi aspetti

Cos’è una sorgente di luce? sorgenti primarie, che emettono luce bruciando o consumando qualcosa (lampade fiamme), e sorgenti secondarie, che ridistribuiscono nello spazio la luce che ricevono dalle sorgenti primarie. Cos’è la materia? qualsiasi oggetto sotto i nostri occhi (e non solo) che abbia una certa dimensione Cos’è la radiazione? O cos’è la luce?

La radiazione elettromagnetica La luce è un fenomeno ondulatorio di una particolare forma di energia, l’ENERGIA ELETTROMAGNETICA. Una radiazione elettromagnetica può considerarsi costituita da onde elettromagnetiche, onde di energia che si ripetono periodicamente, con valore costante, nella direzione di propagazione. Contrariamente alle analoghe onde oceaniche hanno un moto molto lento, le onde elettromagnetiche viaggiano alla velocità della luce: 300. 000 metri al secondo, 1. 080. 000 chilometri l'ora!

Radiazione elettromagnetica: È costituita da campi elettrici e magnetici oscillanti nello spazio e nel tempo che si propaga lunga una direzione. Il campo elettrico e magnetico sono perpendicolari tra loro ed alla direzione di propagazione dell’onda. In fisica, un campo magnetico è un campo, in un certo spazio, che esercita una forza magnetica su cariche elettriche in movimento e su dipoli magnetici. Campi magnetici circondano correnti elettriche, dipoli magnetici, e campi elettrici variabili. In fisica, lo spazio che circonda una carica elettrica, od in presenza di un campo magnetico si chiama CAMPO ELETTRICO. Esso esercita una forza su altri oggetti carichi. Forza di attrazione di carica elettrica per unità di carica.

Alcune grandezze che caratterizzano una radiazione elettromagnetica Si dice lunghezza d’onda ( ) la distanza spaziale tra due massimi dell’onda. La frequenza ( ) è il numero di onde in un secondo. e sono correlate dalla seguente relazione: =c/ c è la velocità della luce ~ 3× 108 m/s. • L’ampiezza (A) rappresenta la distanza tra il massimo dell’onda e la direzione di propagazione

Esiste una relazione tra la frequenza di una radiazione elettromagnetica e la sua energia: h = costante di Planck = 6. 626 · 10 -34 J · s: è un numero piccolissimo!!!! ? Questo cosa comporta? ? Ø Maggiore è la lunghezza d’onda ( ) di una radiazione elettromagnetiche e minore è la sua energia. Quindi l’energia e la lunghezza d’onda sono inversamente proporzionali!!!! ØMaggiore è la frequenza ( ) di una radiazione elettromagnetica e maggiore è la sua energia. Quindi l’energia e la frequenza sono direttamente proporzionali!

Tutte le onde elettromagnetiche sono classificate in base alle loro frequenze caratteristiche all'interno di quello che è noto come: SPETTRO ELETTROMAGNETICO Raggi X Raggi UV VIS IR RADIO AC RADAR-TV FM/SW/AM/LW La luce visibile occupa solo una piccola porzione della zona centrale dello spettro. L’occhio umano è sensibile alle sole radiazioni elettromagnetiche dello spettro comprese tra 380 e 780 nm

IL DUALISMO ONDA-CORPUSCOLO Alcuni fenomeni fisici possono essere spiegati assumendo che la luce sia costituita da onde (es. interferenza); tuttavia, altri fenomeni (es. effetto fotoelettrico) vengono spiegati accettando che la luce sia costituita da particelle discrete (i FOTONI), ciascuno dotato di una energia E correlata alla frequenza della radiazione. relazione di Einstein del 1905: E = h Costante di Planck Nel 1924 Louis de Broglie ipotizzò che TUTTA la materia avesse proprietà ondulatorie: ad un corpo con quantità di moto p (= massa x velocità) veniva infatti associata un'onda di lunghezza d'onda λ. Tre anni dopo i fisici Davisson e Germer confermarono le previsioni della formula di De Broglie sparando un fascio di elettroni (che erano sempre stati assimilati a particelle) contro un reticolo cristallino e osservando le figure d'interferenza previsti. Esperimenti simili furono poi condotti con neutroni, protoni e particelle più pesanti. relazione di de Broglie del 1924: = h/p

Interazione radiazione-materia od anche interazione luce materia

Una radiazione elettromagnetica può essere di una singola lunghezza d’onda (e allora si chiama monocromatica), ma normalmente è un insieme di più radiazioni di diverse lunghezze d’onda (e quindi di diversa energia). Nel 1666 Isaac Newton usando un prisma dimostrò che la luce è composta di singole radiazioni monocromatiche. rotazione Con il “cerchio di Newton” è possibile “miscelare” le componenti monocromatiche ed ottenere la loro somma, il bianco

ØLe differenti lunghezze d'onda vengono interpretate dal cervello come COLORI, che vanno dal rosso delle lunghezze d'onda più ampie (minore frequenza), al violetto delle lunghezze d'onda più brevi (maggiore frequenza). ØLe frequenze comprese tra questi due estremi vengono percepite come arancio, giallo, verde, blu e indaco. Ø Anche se gli esseri umani non possono vedere l'infrarosso, esso viene percepito dai recettori della pelle come calore. Alcuni animali, come le api, riescono a vedere gli ultravioletti; altri invece riescono a vedere gli infrarossi.

La percezione del colore è un fenomeno che dipende dal tipo di radiazione elettromagnetica che colpisce la retina dell’occhio. Essa può provenire da una sorgente luminosa (luce colorata) o essere riflessa dalle superfici (colore dei corpi) Una superficie che ai nostri occhi appare di colore bianco riflette tutte le radiazioni Una superficie che ai nostri occhi appare di colore nero assorbe tutte le radiazioni Una superficie che ai nostri occhi appare di colore giallo assorbe le radiazioni corrispondenti al colore blu riflettendo quelle che formano il colore giallo (rosso + verde) In effetti un oggetto ci appare del colore associato alla mescolanza delle radiazioni che esso non assorbe, e quindi riflette.

Colori della luce visibile Lunghezza d’onda Assorbita 380 -420 violetto 420 -440 blu-viola 440 -470 blu 470 -500 blu-verde 500 -520 verde 520 -550 verde-giallo 550 -580 giallo 580 -620 arancione 620 -680 rosso 680 -780 marrone-rossastro Osservata verde-gialla giallo arancione rosso viola violetto blu verde-blu blu-verde

Un po’ di teoria dei colori Sintesi additiva Leggi sul mescolamento di colori: Sintesi sottrattiva La sintesi additiva si riferisce al mescolamento dei colori quando la sorgente di illuminazione è vista direttamente dall’occhio (es. schermo del televisore; sorgente primaria) Tre colori fondamentali: rosso blu e verde R+V+B= Bianco B+V= Ciano R+B= Magenta V+R= Giallo La sintesi additiva dei tre colori fondamentali determina una sensazione cromatica di saturazione chiamata bianco.

Inoltre, il mescolamento di colori di differente intensità produce una gamma vastissima di colori a cui siamo abituati. Ad esempio: R+B= magenta R+poco B= rosso porpora R+poco. B+poco V= rosa L’assenza degli stessi tre colori produce la sensazione definita nero. Nella pratica, però, piuttosto che con luci colorate si ha a che fare con sostanze che investite da luce bianca riflettono/diffondono/trasmettono solo una parte delle radiazioni di cui è composta e che, di conseguenza ci appaiono colorate. (sorgenti secondarie).

Le tonalità di colore dei pigmenti e coloranti derivano da una sintesi diversa da quella additiva delle luci, la sintesi sottrattiva Quando un oggetto assorbe una radiazione di una determinata , corrispondente ad un determinato colore, viene osservato il COLORE COMPLEMENTARE Colori primari sintesi sottrattiva: magenta, giallo, ciano …. . I tre colori della stampante M+G+C= Nero C+G= Verde C+M= B M+G= R D: ed il grigio? Il grigio è il “colore” che si osserva quando l’oggetto assorbe una frazione costante della luce incidente in tutta la regione del visibile

Interazione radiazione-materia… vediamo cosa succede…. Oggetto (es. bicchiere d’acqua con pigmento) Adesso dobbiamo considerare i fenomeni di: luce incidente luce riflessa Luce incidente: luce che arriva sul campione. luce rifratta luce difratta luce assorbita luce trasmessa 1) Riflessione 2) Rifrazione 3) Diffusione 4) Assorbimento

Analizziamo i vari aspetti…. . Riflessione speculare normale 1 1 piano Se la superficie del corpo è liscia, allora vale la legge: angolo di incidenza = angolo di riflessione il raggio incidente, la normale al piano ed il raggio riflesso giacciono sullo stesso piano.

Rifrazione un fenomeno che si verifica ogni volta che la luce passa da un mezzo a un altro dotato di proprietà fisico-chimiche diverse (più o meno denso). normale 1 1 riflessione. . esiste. . 1 piano Legge di Snell: n 1 sen 1= n 2 sen 2 2 2 N. B. raggio incidente, normale e rifratto stanno sullo stesso piano. Si noti che nel caso θ 1 = 0°, ovvero nel caso in cui il raggio risulti perpendicolare all'interfaccia, θ 2 = 0° per qualunque valore di n 1 e n 2. Øun raggio che entra in un mezzo in modo perpendicolare alla superficie non viene mai deviato.

Cosa è il seno di un angolo? ? non lo so!!!! Il seno di un angolo è il rapporto fra la lunghezza di due segmenti; esattamente il rapporto fra la lunghezza del cateto opposto all'angolo in questione e l'ipotenusa.

L'indice di rifrazione di un materiale è un parametro macroscopico, indicato col simbolo n, che rappresenta il fattore numerico per cui la velocità di propagazione di una radiazione elettromagnetica viene rallentata, rispetto alla sua velocità nel vuoto, quando questa attraversa un materiale. Ogni mezzo di propagazione è caratterizzato da un indice di rifrazione, e che, salvo casi del tutto particolari, aumenta all'aumentare della densità del mezzo stesso; materiale n Il fenomeno di rifrazione può essere osservato, per vuoto 1, 0000 esempio, guardando all’interno di un bicchiere pieno aria 1, 0003 d’acqua 1, 3330 olio 1, 467 diamante 2, 419 Un raggio che attraversa una lastra non è deviato dalla sua direzione. Esso è spostato parallelamente a se stesso: lo spostamento è proporzionale allo spessore della lastra e all'angolo d'incidenza.

Cerchiamo di capire cosa succede: 1 2 3 4 üI passaggio: aria-acqua l’angolo diminuisce sin (1) =1. 333 sin(2) üII passaggio: acqua-vetro n(vetro)= 1. 70 l’angolo diminuisce sin (2) =1. 27 sin(3) üIII passaggio: vetro-aria l’angolo aumenta sin(3) =0. 59 sin(4)=1. 70 sin(3)

Dati due mezzi rifrangenti aria ed acqua ad es. , consideriamo una sorgente di luce in acqua e facciamo variare l'angolo d'incidenza da 0 a 90 gradi. Si raggiunge un angolo limite secondo il quale il raggio uscente dall'acqua forma un angolo retto rispetto alla superficie di separazione fra i mezzi. Per l'acqua rispetto l'aria (o il vuoto) quest'angolo limite è circa 49°. N. B. Se si supera l’angolo limite il raggio non passa più dall'acqua all'aria ma si riflette totalmente nell'acqua secondo le leggi della riflessione.

Dati due mezzi rifrangenti, consideriamo una sorgente di luce in quello meno rifrangente e facciamo variare l'angolo d'incidenza da 0 a 90 gradi. n Se l'angolo di rifrazione è minore di quello di incidenza si dice che il secondo mezzo (es. acqua) è più rifrangente del primo (es. aria); se invece l'angolo di rifrazione è maggiore di quello d'incidenza, il secondo mezzo è meno rifrangente del primo. 1 L'angolo limite è il valore dell'angolo di rifrazione corrispondente ad un angolo d'incidenza di 90 gradi, quando il raggio passa da un mezzo meno rifrangente ad uno più rifrangente. Viceversa, nel passaggio da un mezzo più denso a quello meno denso, l’angolo di incidenza non può essere maggiore di un certo valore, l’angolo limite Riflessione totale in un prisma ad angolo retto 2 3

Fibre ottiche. La tecnica delle fibre ottiche sta entrando prepotentemente nella diagnostica non invasiva di opere d’arte. Il principio di "funzionamento" delle fibre ottiche è basato sullo sfruttamento dell'angolo limite per la rifrazione fra vetro ed aria. Prendiamo un filo abbastanza sottile di vetro o sostanza affine che possa essere piegato. La luce, al suo interno, incidendo con angoli superiori all'angolo limite fra vetro ed aria, non ne può uscire. Si ha così la propagazione del segnale luminoso lungo una fibra ottica :

Un prisma è un oggetto in grado di disperdere la luce bianca nelle sue componenti monocromatiche Con il “cerchio di Newton” è possibile “miscelare” le componenti monocromatiche ed ottenere la loro somma, il bianco rotazione

Uno stesso materiale presenta indici di rifrazione diversi per i vari colori Il prisma devia con angoli diversi raggi luminosi con diversa lunghezza d’onda NOTA BENE: Per effetto delle due rifrazioni il raggio devia verso la base BC.

Siamo in grado quindi di capire un effetto molto comune ed affascinante: L’arcobaleno!!!! prodotto dalla riflessione e rifrazione della luce su minute goccioline d'acqua sospese nell'aria quando vengono osservate dalla parte da cui la luce proviene. quando un raggio di luce colpisce una goccia prima si rifrange, dopodiché di riflette all'interno di essa per poi uscirne scomposto nei caratteristici colori dell'iride.

Diffrazione 1 Superficie non regolare: il raggio incidente viene riflesso in numerose direzioni apparentemente scorrelate dello spazio. per diffusione si intende la diffrazione da strutture disordinate come le superfici rugose di cui sopra. Un'altra categoria di strutture disordinate che producono diffusione è quella dei sistemi di particelle (nubi di goccioline, polveri ecc. ).

Adesso capiamo cosa sono le sorgenti secondarie! Per essere visto, un oggetto deve comportarsi come una sorgente, inviando da ogni suo punto un po' di luce entro la pupilla dell'occhio: è la diffusione che permette a un oggetto illuminato di diventare una sorgente (sorgente secondaria) , e quindi di essere visto

Assorbimento I 0 campione I Una sostanza può assorbire una certa quantità di maggiore o minore le diverse radiazioni elettromagnetiche alle varie lunghezze d’onda. Domande: 1) 2) 3) 4) 5) Quanta luce assorbe? quali onde assorbe? cosa succede alle radiazioni assorbite? Perché un oggetto assorbe la luce? Cosa c’entra tutto questo con il colore?

Assorbimento: cosa succede? • Stato fondamentale Stato a minima energia di un particolare sistema fisico Stato ad energia più alta dello stato fondamentale • Stato eccitato Le molecole assorbono energia per passare da uno stato fondamentale ad uno stato eccitato

Coma si passa dallo stato fondamentale a quello eccitato? Acquistando energia!!! Le molecole assorbono energia per passare da uno stato fondamentale ad uno stato eccitato Ma qualsiasi tipo di energia? ? ? ? P. S. Ovviamente no!!!!!!

LA LUCE E LA MATERIA Una radiazione può cedere energia alla materia (atomo o molecola solo se DE = hn !!!! = l’energia è quantizzata!! Per un atomo: Radiazione, E = h DE DE DE Energia ceduta Un atomo di idrogeno di Bohr (questo modello è stato superato, ma è ancora utile didatticamente)

Quantizzazione dell’energia: i livelli energetici • Contrariamente alle previsioni della fisica classica, l’energia di una molecola può assumere solo valori discreti. DE Classico Quantistico Un fotone può cedere energia alla materia solo se h = DE

Le molecole sono costituite da più atomi e da più elettroni, e quindi rappresentano dei sistemi più complicati: anche le molecole possono assorbire radiazione elettromagnetica, e possono passare a stati eccitati (fare dei salti energetici). h Molecola* E 1 E 0 molecola* h = elettrone generico Anche per le molecole, affinchè avvenga una transizione energetica, occorre utilizzare radiazione con una precisa frequenza ( )

Energia Stato eccitato hn > DE Radiazione NON assorbita Stato fondamentale hn = DE Radiazione assorbita!!! hn < DE Radiazione NON assorbita Una radiazione può essere assorbita dalla materia solo se la sua energia è pari alla differenza di energia tra lo stato fondamentale e quello eccitato della molecola

Ma. . Vi ricordate? E=h =h(c/ ) Le molecole assorbono quindi solo onde di una particolare lunghezza d’onda, quindi solo ALCUNI COLORI!!!!!!

IL COLORE DEGLI OGGETTI riassunto Le differenti lunghezze d'onda vengono interpretate dal cervello come colori, che vanno dal rosso delle lunghezze d'onda più ampie (minore frequenza), al violetto delle lunghezze d'onda più brevi (maggiore frequenza). Le frequenze comprese tra questi due estremi vengono percepite come arancio, giallo, verde, blu e indaco. Le frequenze immediatamente al di fuori di questo spettro percettibile dall'occhio umano vengono chiamate ultravioletto (UV), per le alte frequenze, e infrarosso (IR) per le basse. Anche se gli esseri umani non possono vedere l'infrarosso, esso viene percepito dai recettori della pelle come calore. Alcuni animali, come le api, riescono a vedere gli ultravioletti; altri invece riescono a vedere gli infrarossi. In effetti un oggetto ci appare del colore associato alla mescolanza delle radiazioni che esso non assorbe, e quindi riflette. Vedremo in seguito…

Alla prossima lezione…. . per oggi è finita per fortuna…. .

Si ma una molecola od un atomo può assorbire radiazioni diverse dall’UV-Vis? E se si , l’assorbimento di quelle radiazioni a quali stati energetici porta?

Interazione radiazione-materia

MECCANISMI DI RILASSAMENTO ENERGETICO: le vie per smaltire l’energia assorbita sono varie, per una molecola Radiazione assorbita Eccitazione Decadimenti non radiativi Decadimenti radiativi T 2 E 1 S 1 T 1 h Fluorescenza h ’ Fosforescenza h ’’ S 0 E 0 In questi stati (detti di “tripletto”, T) vi è anche un cambiamento dello spin dell’elettrone. Normalmente ci si trova negli stati in cui lo spin non varia (stati di “singoletto”, S)

A questo punto ci si può chiedere perché una sostanza assorba proprio in corrispondenza di certe lunghezze d’onda piuttosto che di altre. La risposta a questa domanda prevede che si conosca la struttura delle molecole che costituiscono tale sostanza, ed in pratica la natura dei legami da cui sono tenute assieme. Indigotina (blu) Tartrazina (gialla) Infatti se si conosce la struttura di una molecola, applicando la meccanica quantistica, si può risalire al suo diagramma energetico, e conoscere così le distanze di energia che intercorrono tra uno stato ed un altro. A ciascun salto energetico corrisponderà una particolare frequenza della radiazione assorbita, e indirettamente ogni salto energetico che coinvolga la radiazione visibile, determinerà il colore che noi osserveremo per una data sostanza.