Luce monocromatica

Le tecnologie che utilizzano la luce monocromatica hanno una vasta gamma di applicazioni, dall’astrofisica e l’astronomia alle scienze forensi. Il termine monocromatico deriva dalle parole greche monos, che significa uno o solo, e chromos, che significa colore. La luce monocromatica, o luce monocolore, è essenzialmente una radiazione elettromagnetica derivata dall’emissione di fotoni dagli atomi. I fotoni si propagano, o viaggiano, come fronti d’onda di energia di diverse lunghezze e livelli di energia. I livelli di energia determinano la frequenza della luce, e la lunghezza di un’onda determina il suo colore. Le bande di lunghezze d’onda della luce che gli esseri umani possono vedere sono chiamate luce visibile.

La luce visibile include la luce rossa (nel livello di energia inferiore dello spettro elettromagnetico) e la luce viola nel livello di energia visibile superiore dello spettro elettromagnetico. Quando la luce si propaga attraverso diversi mezzi, interagisce con gli atomi presenti nelle molecole, come i gas atmosferici, l’acqua e la materia organica. Queste interazioni sono note come transizioni atomiche e consistono nell’emissione o nell’assorbimento di specifiche lunghezze d’onda (o pacchetti di energia). La particolare struttura degli isotopi (atomi o molecole di un elemento della tavola periodica) così come la struttura delle molecole complesse (contenenti più di un elemento) definisce le loro proprietà fisico-chimiche. Tali proprietà determinano quali lunghezze d’onda vengono assorbite e quali emesse. L’assorbimento e l’emissione di luce da parte degli atomi avvengono in pacchetti di energia conosciuti come quanti. L’assorbimento avviene quando la luce eccita gli atomi, facendo saltare improvvisamente gli elettroni in specifiche orbite esterne. Non si tratta di un movimento progressivo tra le orbite, ma di un improvviso cambiamento di stato energetico con cui un dato quanta di energia viene assorbito.

Le emissioni avvengono in modo inverso, con il conseguente rilascio dei quanti assorbiti. La luce monocromatica e le tecnologie laser sfruttano queste transizioni atomiche e un’altra proprietà atomica nota come energia di stato fondamentale. L’energia di stato fondamentale si riferisce alla tendenza degli elettroni a tornare al livello energetico più basso, subendo quindi l’emissione spontanea dei quanti di energia.

Un raggio di luce monocromatico è caratterizzato dalla sua luminosità o intensità luminosa, dalla direzione di propagazione e dal colore (tutte caratteristiche visibili) e dal suo stato di polarizzazione (una caratteristica invisibile). Le onde luminose oscillano, o oscillano avanti e indietro, perpendicolarmente alla direzione di propagazione. Per esempio, se un’onda luminosa si sta propagando orizzontalmente, sta oscillando verticalmente. Il miglior esempio di luce monocromatica è un raggio laser. Una luce laser risulta da una transizione atomica con una singola lunghezza d’onda specifica, che risulta in un fascio di luce monocromatica.

Quando una luce monocromatica è diretta a una sostanza o materiale, induce transizioni che sono caratteristiche delle proprietà chimiche degli elementi costitutivi di tale materiale. Gli strumenti di spettroscopia ottica registrano i picchi e le depressioni delle luci d’onda risultanti in uno spettrometro che misura i cambiamenti di frequenza e di intensità di queste transizioni. I modelli di onde risultanti indicano la composizione chimica del campione. I monocromatori a scansione sono strumenti ottici che disperdono la luce, permettendo la scansione di campioni forensi o prove, utilizzando una lunghezza d’onda (o colore della luce) alla volta, e la scansione per l’intera gamma spettrale. I dispositivi monocromatici ultravioletti alimentati a batteria sono utilizzati per la scansione di prove non facilmente rilevabili a occhio nudo sulle scene del crimine. Permettono all’esaminatore di visualizzare macchie di sangue nascoste, fibre, impronte digitali e lesioni che si trovano appena sotto la pelle dei cadaveri.

Le carte di credito, la valuta e la documentazione importante sono spesso contrassegnate da ologrammi impressi su fogli di sicurezza, che sono creati da raggi laser monocromatici. L’olografia standard di sicurezza rappresenta la prima generazione di una tecnologia di sicurezza nota come dispositivi otticamente variabili (OVD). Esistono altre tecnologie OVDs non olografiche, e sono rilevabili nei materiali marcati con dispositivi a luce ultravioletta.