Elettroni luce e quanti con visita ai Laboratori Nazionali di Frascati del INFN dedicati agli acceleratori d elettroni e positroni per studiarne le interazioni e per farne sorgenti ultrabrillanti di luce Sommario: Onde elettromagnetiche e Fotoni Dualismo Onda-Corpuscolo Acceleratori e Rivelatori di Particelle E. Iarocci 19/12/08 01/10/07 1
Campi di Carica in Moto Uniforme Un campo elettrico radiale e magnetico circolare accompagnano la carica. Una volta stabilito il moto uniforme i campi camminano da soli in virtù dell accoppiamento E-B locale stabilito dalle Equazioni di Maxwell. 01/10/07 2
Irraggiamento di Carica Accelerata In corrispondenza di una accelerazione, per esempio un urto, si ha l emissione di un pacchetto d onda elettromagnetico, che stabilisce i campi del nuovo moto uniforme, in luogo di quelli preesistenti, in tutto lo spazio vuoto. 01/10/07 3
Luce di Sincrotrone: effetto indesiderato e strumento d indagine d avanguardia 01/10/07 4
qa in un antenna Radio Moto oscillante degli elettroni nel conduttore irraggiamento Oppure il processo inverso nell antenna ricevente. Altro esempio: un onda elettromagnetica può cedere energia a un elettrone ed estrarlo da un metallo 01/10/07 5
Estrazione di elettroni dai metalli energia termica, elettrostatica, elettromagnetica metallo nel vuoto elettroni estratti oltre la barriera 01/10/07 6
Effetto Fotoelettrico luce rossa verde blu no luce viola, UV, etc: si alluminio elettroni estratti 01/10/07 7
I Fotoni Nel 1905 Einstein ipotizzò che la luce viene emessa e assorbita in quanti di energia E = ω e quantità di moto p = k costante di Planck h = 6,6 10-34 Js 01/10/07 8
Equazione dell effetto fotoelettrico fotone E=hν hν = E cinetica + E estrazione elettrone E cin =mv 2 /2 come in un urto tra particelle 01/10/07 9
Newton riteneva che la luce fosse fatta di particelle, ma Young stabilì che era fatta di onde, osservandone l interferenza Le onde di sorgenti monocromatiche e coerenti sommandosi generano figure caratteristiche, di interferenza 01/10/07 10
Diffrazione da Fenditura Sottile Un onda piana può essere immaginata come la sovrapposizione di ondine semicircolari emesse punto a punto da un fronte (Principio di Huygens) 01/10/07 11
Interferenza da Doppia Fenditura - + - + - + - Interferenza tra due sorgenti di onde monocromatiche e coerenti. 01/10/07 12
Diffrazione da Fenditura Estesa Equivalente a Interferenza di numerose fenditure sottili Frange di diffrazione, lontano La scala della figura è fissata dalla lunghezza d onda 01/10/07 13
Frange di diffrazione 01/10/07 14
Lunghezze d Onda ed Energie dei fotoni Radio metri Micro-onde Infrarosso Luce 0,7-0,4 µm hν 1eV Ultravioletto Raggi X nanometri hν 1keV o più Raggi γ hν 1MeV o più Lo spettro è illimitato sopra e sotto 01/10/07 15
L Esperimento di Young, circa 1800 L osservazione delle frange d interferenza della luce da due fenditure fu difficile data la piccola lunghezza d onda e ci volle tempo per accettare il risultato. Il file musicale di un CD è impresso su una spirale di passo 1,6µm e perciò è un reticolo di diffrazione per riflessione di circa 50.000 righe. 01/10/07 16
Interferenza e Selezione Naturale L effetto di iridescenza delle piume di molti uccelli è frutto del reticolo di diffrazione costituito da una struttura microscopica a scaglie parallele delle piume 01/10/07 17
Fotoni e Interferenza Onda e particella sono concetti esclusivi All inizio c era la vaga idea che più fotoni dessero luogo al comportamento ondulatorio Ma si dimostrò sperimentalmente che il singolo fotone interferisce con se stesso (esperimento di Taylor) 01/10/07 18
Interferenza di Singoli Fotoni In un dispositivo d interferenza con fascio di luce così poco intenso da avere singoli fotoni in volo, il singolo fotone si comporta come tutto il fascio, salvo passare da intensità dell onda a densità di probabilità di assorbimento del fotone. Le frange d interferenza risultano dalla successiva accumulazione di eventi puntiformi. 01/10/07 19
L Ipotesi di de Broglie Come una particella di luce di numero d onda k possiede una quantità di moto p tale che p = k Così una particella materiale di quantità di moto p possiede un numero d onda k tale che p = k Le relazioni E=hν e p=h/λ sono universali. 01/10/07 20
Diffrazione di Raggi X, λ 10-6 mm Policristallo Monocristallo 01/10/07 21
Diffrazione di Raggi X ed Elettroni di pari lunghezza d onda λ attraverso lo stesso foglio d alluminio Raggi X Elettroni 01/10/07 22
La Diffrazione è un Fenomeno Universale Singoli fotoni elettroni atomi molecole(*) Struttura periodica d Rivelatore Frange periodiche a puntini p = k λ/d (*) record: molecola di fullerene C 60 01/10/07 23
Onde Luminose e Elettroniche Equazione d onda elettromagnetica: E, c 2 E = 1 2 E c 2 t 2 Equazione di Schroedinger di particella libera non relativistica: ψ, m, h, i h 2 2m 2 ψ = ih ψ t 01/10/07 24
Onda Radio Il campo E di un onda radio può essere osservato direttamente con strumenti semplici 01/10/07 25
Onda Luminosa Data la piccola lunghezza d onda, di un fascio di luce può essere in pratica osservata direttamente in un punto la densità di potenza assorbita, che è pari all intensità incidente I=E eff2 /Z o Per un singolo fotone perde di significato la nozione di campo Può essere misurata in un punto la densità di probabilità d assorbimento che è proporzionale a un ampiezza di probabilità al quadrato, P ϕ 2 01/10/07 26
L Onda Elettronica La funzione d onda elettronica ψ non è un campo fisico che si propaga nello spazio. Nessuno è riuscito a costruire un modello. Esempio di modello non riuscito: 01/10/07 27
Dualismo Onda-Particella Struttura d interferenza Eventi puntiformi Singole particelle d p = k λ e d ψ P ψ 2 Metafore: Onda di Probabilità Collasso della Funzione d Onda 01/10/07 28
Principio d Indeterminazione: ΔpΔx h 4π Singoli elettroni di quantità di moto h/λ Doppia fenditura elettrone Rivelatore luce Per osservare cosa passa attraverso una fenditura è necessario illuminarla con fotoni di λ così piccola da localizzare la fenditura. Si rivelano elettroni, ma la quantità di moto dei fotoni è così grande da perturbarne il moto fino a distruggere la figura d interferenza. 01/10/07 29
L Atomo d Idrogeno nello stato fondamentale Funzione d Onda: ψ = e r a 0 e (i h)et πa 0 3 Significato fisico: a momento angolare nullo ψ 2 = e 2r a 0 πa 0 3 esprime la densità di probabilità di osservare l elettrone nell intorno di un punto 01/10/07 30
Differenza tra Particelle di Materia e Particelle che Scambiano Forze Per gli elettroni (che hanno spin 1/2) vale il Principio di Esclusione di Pauli: due elettroni non possono fare la stessa cosa nello stesso posto. Esso è alla base della struttura atomica a gusci elettronici rigidi. In più ci sono leggi di conservazione. Livelli dell Idrogeno I fotoni (che hanno spin 1) hanno tendenza opposta: fotoni identici tendono a sovrapporsi localmente, dando luogo ai campi elettrici e magnetici macroscopici. 01/10/07 31
Rivelazione di Particelle Cariche Energetiche Particelle a elevata quantità di moto p e dunque a Δp elevato, possono essere osservate senza apprezzabile effetto d indeterminazione nella localizzazione (Δx piccolo) anche nelle migliori condizioni di precisione della tecnologia (millesimi di millimetro) ΔpΔx h 4π Δx h 4πΔp 01/10/07 32
Traccia di Ionizzazione Di una particella carica riveliamo la traccia di ionizzazione atomica nella materia attraversata elettrone particella carica atomo 01/10/07 33
Camera a Ionizzazione Isolante in campo elettrico Traccia di elettroni e ioni Particella carica energetica Materiali: Silicio, Argon liquido o gassoso, etc Il passaggio di una particella è segnalato da una corrente. Localizzando la corrente con elettrodi a strisce, fili o pixel, si rendono visibili con precisione le tracce. 01/10/07 34
Rivelazione di Fotoni d Alta Energia Un fotone d alta energia attraversando la materia crea uno sciame elettromagnetico 01/10/07 35
01/10/07 36
01/10/07 37
Il Rivelatore Kloe Ferro di ritorno del solenoide superconduttore Rivelatore di fotoni Elettroni e positroni Camera a deriva 01/10/07 38
Collisioni elettrone-positrone Diagramma di Feynman 01/10/07 39
Kloe Evento e + e - 01/10/07 40
Kloe Evento K + K - 01/10/07 41
SPARX - Free-Electron Laser a Raggi X 01/10/07 42
01/10/07 43