Gli esperimenti di Macedonio Melloni



    Herschel fu il primo a rivelare, alla fine del XVIII secolo, l'esistenza dello spettro infrarosso, andando a sondare con un termometro gli effetti termici della radiazione luminosa. Le esperienze di Herschel erano però limitate dal fatto che egli si servì di un prisma di vetro, materiale che risulta essere opaco a quella parte di spettro chiamata ai suoi tempi "calore oscuro" che, pur non essendo percepibile dall'occhio umano, provoca comunque degli effetti termici.

    Il problema fu risolto da Macedonio Melloni, il quale si servì di un prisma di salgemma, riuscendo a evidenziare come lo "spettro calorifico" fosse in realtà molto più esteso di quanto ritenesse Herschel.
L'altra novità di rilievo introdotta da Melloni nei suoi esperimenti sulla natura del calore raggiante, fu rappresentata dalla sostituzione dell'usuale termometro con quello che lo scienziato chiamò termomoltiplicatore.
E' lo stesso Melloni in uno dei suoi scritti più celebri (Recherches sur plusieurs Phénomènes calorifiques, Ann. de Chim. et de Phys, XLVIII, 1831, 198) a descrivere l'uso e le caratteristiche generali di questo strumento, che egli definì «una specie di termoscopio», costituito dall'unione di due strumenti: la pila termoelettrica di Nobili - Melloni e il galvanometro astatico di Nobili. Fu grazie all'utilizzazione di questo strumento che Melloni poté ripetere e ampliare le esperienze dei suoi predecessori sulla trasmissione del calore raggiante attraverso il vetro, ed estendere i risultati ottenuti con questo materiale anche ad altre sostanze.

    Il primo problema affrontato da Melloni nel corso dei suoi esperimenti fu dunque quello di studiare la trasmissione del calore attraverso corpi di natura diversa (Mémoire sur la trasmission libre de la chaleur rayonnante par differents corps solides et liquides, Ann. de Chim. et de Phys., LIII, 1833, 5 ; Nouvelles recherches sur la trasmission immédiate de la chaleur rayonnante par différents corps solides et liquides, Ann. de Chim. et de Phys., LV, 1833, 337). A tal fine egli si servì del celebre banco che porta il suo nome, utilizzando la disposizione sperimentale mostrata a lato. Tale disposizione sperimentale consisteva nella successione, lungo l'asta graduata del banco ottico, di: una sorgente luminosa; uno schermo costituito da una doppia lamina di ottone, che poteva essere alzata o abbassata con l'ausilio di un sottile filo di seta; un piccolo sostegno orizzontale sul quale veniva posizionata la sostanza da esaminare; un secondo schermo dotato di fenditure più o meno strette per regolare l'ampiezza del fascio luminoso; una pila termoelettrica, collegata al galvanometro di Nobili; un ultimo schermo, avente la funzione di impedire ad eventuali radiazioni "di disturbo" di giungere sulla seconda faccia della pila.

    Uno dei principali problemi nella conduzione di questa esperienza consisteva infatti nel riscaldamento dei vari elementi del banco prodotto dalla lampada, riscaldamento che poteva "disturbare" il segnale principale registrato dalla pila termoelettrica, ovvero la radiazione trasmessa dalla lamina-campione in esame. Per ovviare a questo inconveniente Melloni pensò di introdurre il primo schermo in figura, dotandolo di una cerniera orizzontale che ne permetteva l'apertura per il tempo strettamente necessario alle misurazioni.
    Molti sono gli interrogativi ai quali Melloni cercò di dare una risposta nel corso di questo primo esperimento: per esempio quello riguardante l'influenza che il grado di levigatezza e lo spessore del campione potevano avere sulla quantità di radiazione trasmessa, trovando tra l'altro che, come avveniva per la radiazione luminosa la quantità di calore che attraversava il corpo era tanto più grande quanto più esso era levigato. Melloni condusse i suoi esperimenti utilizzando quattro tipi di sorgenti (due "luminose" la lampada di Locatelli, e un filo di platino incandescente) e due "oscure" (del rame portato a temperatura elevata e il cosiddetto cubo di Leslie), arrivando alla conclusione che il calore trasmesso da una certa sostanza non era in alcun rapporto con la trasparenza di quest'ultima (avendo piuttosto a che fare con la rifrangibilità) e che, per una stessa sostanza, dipendeva dalla temperatura della sorgente, così come un vetro colorato fa passare luce del suo stesso colore, mentre arresta quasi totalmente il cammino delle altre componenti. Se le componenti dello spettro luminoso differiscono fra loro per il colore, le componenti dello spettro calorifico si differenziano dunque per le loro rifrangibilità, ovvero per quella proprietà che Melloni chiamò thermochrose.
    Queste osservazioni condussero Melloni a formulare l'ipotesi dell'esistenza di un parallelismo fra comportamento di mezzi diversamente colorati in relazione al passaggio di luce di diverso colore e comportamento dei diversi mezzi in relazione alla trasmissione del calore prodotto da sorgenti diverse e a dividere i corpi, a seconda della loro capacità di trasmettere il calore raggiante, in diatermani e atermani.

    Per lo studio dei fenomeni di riflessione della "radiazione calorifica" Melloni utilizzò una disposizione sperimentale non molto dissimile dalla precedente, mettendo in evidenza come, analogamente a quanto avviene per la riflessione della luce, la quantita di calore riflesso dalle sostanze diatermane ed atermane dipende dagli angoli d'incidenza.

    Convinto che la diffusione del calore raggiante non fosse mai stata oggetto di studi sufficientemente approfonditi da parte dei suoi predecessori, Melloni nel 1840 (Mémoiresur la constance de l'absorption calorifique exércee par le noir de fumée et par le métaux, Ann. de Chim. et de Phys., LXXV, 1840, 337) si dedicò al problema, con l'obiettivo di dimostrare una volta per tutte come una parte della radiazione calorica incidente su di un corpo atermano smerigliato venisse diffusa in tutte le direzioni.
    A tale scopo dispose su di un sostegno rotante, ancorato al banco, un disco di legno dotato di una faccia bianca e di una nera (annerita  con  nerofumo). Dapprima Melloni fece incidere la radiazione proveniente da una sorgente L sulla faccia annerita, non rilevando alcuno spostamento del sensibilissimo ago del galvanometro, e in seguito ripeté l'esperienza per la faccia bianca. Un braccio girevole, sul quale aveva fissato il suo termomoltiplicatore, gli consentì di dimostrare come, in questo secondo caso, si avesse calore diffuso in tutte le direzioni. Ripeté poi l'esperimento servendosi di due dischi di cartone di uguale dimensione, uno dotato di una faccia bianca e di una nera e l'altro annerito su entrambe le facce e passò a dimostrare che mentre per questo secondo disco si registrava una emissione di calore radiante anche dalla faccia posteriore, per il primo questa emissione veniva a mancare, a riprova del fatto che la faccia bianca  permette l'assorbimento solodi una piccola parte della radiazione incidente, la quale viene dunque "respinta", cioè diffusa.
    Se il calore, come la luce, viene trasmesso, si riflette e subisce diffusione, restava da dimostrare che anch' esso, come  la radiazione luminosa, è polarizzabile.
Melloni affrontò questo problema nel 1836 (Mémoire sur la polarisation de la chaleur, Ann. de Chim. et de Phys., LXI, 1836, 375), andando in primo luogo ad analizzare il caso della tormalina, cristallo birifrangente che produce la polarizzazione di un fascio di luce su di esso incidente.
    Con una coppia di tormaline,  Melloni misurò la quantità di calore da esse trasmessa al variare della posizione reciproca degli assi dei due cristalli, trovando che quando questi sono incrociati si perde una frazione sensibile del calore trasmesso, massima quando gli assi sono invece paralleli, a dimostrazione dell'esistenza del fenomeno della polarizzazione.
    Con le sue esperienze Melloni riuscì dunque a dimostrare la completa analogia tra luce e calore raggiante, mettendo finalmente ordine nel confuso proliferare di idee che, nei primi decenni dell'Ottocento, aveva riguardato l'interpretazione di questo fenomeno.

 
(Silvia Trapanese)

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