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Quando un fascio di luce è fatto passare attraverso un prisma o un reticolo di diffrazione è scomposto nelle sue componenti colorate a seconda della loro diversa lunghezza d’onda; l’immagine osservata attraverso uno spettroscopio si chiama spettro.
Si possono presentare tre tipi di spettri a seconda delle condizioni:
- continui
- discreti cioè costituiti da alcune righe luminose su fondo scuro
- continui con righe scure
Uno spettro continuo è caratterizzato dalla presenza di una striscia luminosa formata da una successione di zone colorate che sfumano con gradualità l’una nell’altra. Uno spettro non continuo è caratterizzato dalla presenza di righe dette righe spettrali.
Bunsen e Kirchhoff notarono che quando un sale veniva vaporizzato nella fiamma prodotta dal becco Bunsen la luce emessa, analizzata attraverso lo spettroscopio, mostrava una doppia linea gialla esattamente nella stessa posizione della linea scura D dello spettro solare.
A questo punto tentarono di far passare contemporaneamente la luce solare e la luce della fiamma prodotta dal sale di sodio nello spettroscopio per osservare insieme la linea brillante e quella scura dei due spettri.
Furono molto meravigliati nell’osservare che la linea D scura dello spettro solare non diventava la linea brillante emessa dalla fiamma nella quale era posto il sale, ma diventava ancora più scura, in analogia con quanto già osservato da Foucault. Kirchhoff inizialmente fu molto perplesso e pensò a quanto osservato per un giorno e per una notte.
Poi decise di fare un altro esperimento: al posto della luce solare, prima della fiamma con il sale, collocò una fiamma luminosa che mostrava tutto lo spettro visibile, ma senza le linee scure dello spettro solare. Davanti a essa pose la fiamma prodotta dal sale di sodio e analizzò la luce con lo spettroscopio.
Osservò che in questo caso nello spettro continuo compariva proprio la linea scura ‘D’: aveva osservato uno spettro di assorbimento del sodio ‘pulito’.
La spiegazione che Kirchhoff diede è che la luce bianca (continua) emessa dalla fiamma perdesse le “vibrazioni” della linea gialla proprio per effetto del sale, e quindi questo spiegava la presenza di una linea scura al posto della linea brillante.
Kirchhoff riassunse le sue osservazioni in tre "leggi " empiriche,
1) un solido, un liquido o un gas molto denso se riscaldati ad alte temperature emettono luce visibile di tutte le lunghezze d’onda, ovvero producono uno spettro continuo,
2) un gas rarefatto, caldo emette luce di lunghezze d’onda ben precise e il suo spettro è fatto da righe luminose (colorate) su un fondo nero, ovvero produce uno spettro di emissione,
3) lo stesso gas rarefatto, molto più freddo, posto davanti ad una sorgente luminosa, più calda, che produce uno spettro continuo, assorbe quelle stesse lunghezze d’onda, e produce uno spettro di righe scure su sfondo colorato, ovvero uno spettro di assorbimento.
Bunsen e Kirchoff utilizzando il becco assieme allo spettroscopio da loro messo a punto, scoprirono nuovi elementi chimici: già nel 1860, annunciarono la scoperta del Cesio, chiamato così per le intense linee blu del suo spettro, e pochi mesi dopo, nel 1861, il Rubidio, che prese nome dal rosso profondo di alcune sue linee più intense.
Le leggi di Kirchoff ottenute empiricamente riassumono le osservazioni spettroscopiche della prima metà dell’ottocento. Esse descrivono l’interazione tra la luce e la materia.
Lo studio degli spettri permette di individuare una certa specie chimica. Le osservazioni accumulate portano a concludere che un atomo assorbe o emette "vibrazioni" della radiazione elettromagnetica di lunghezza d’onda ben determinata che cambia a seconda dell’elemento o ione che si sta osservando. Sostanze che hanno composizioni diverse emettono spettri diversi.
L’analisi degli spettri è fatta, oltre che dai chimici anche dagli astronomi che traggono preziose indicazioni in relazione alla temperatura, oltre che alla composizione chimica di un corpo celeste.
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