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01/10/071 Gli Elettroni e la Luce Enzo Iarocci Laboratori Nazionali di Frascati.

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Presentazione sul tema: "01/10/071 Gli Elettroni e la Luce Enzo Iarocci Laboratori Nazionali di Frascati."— Transcript della presentazione:

1 01/10/071 Gli Elettroni e la Luce Enzo Iarocci Laboratori Nazionali di Frascati

2 01/10/072 Sommario Elettricità e Magnetismo Onde elettromagnetiche e Fotoni Dualismo Onda-Corpuscolo Rivelazione di Particelle

3 01/10/073 Forza Elettrica e Forza Magnetica

4 01/10/074 Legge di Coulomb dellElettrostatica Modello di azione diretta a distanza Q q r F

5 01/10/075 Il Modello di Campo (Faraday) La calamita crea nello spazio vuoto un campo magnetico che agisce localmente sui pezzetti di ferro Lazione magnetica o elettrica è mediata da un campo.

6 01/10/076 Concetto di Campo E una specie di tensione dello spazio vuoto descritta in ogni punto da un vettore

7 01/10/077 Condensatore carico Volume pieno di campo elettrico uniforme nel vuoto

8 01/10/078 Solenoide Filo avvolto a elica percorso da corrente elettrica

9 01/10/079 Solenoide carico Volume pieno di campo magnetico uniforme nel vuoto

10 01/10/0710 Circuito Oscillante Condensatore e solenoide si caricano e scaricano periodicamente a causa della induzione elettromagnetica (Faraday) condensatoresolenoide

11 01/10/0711 Coulomb, Ampere, Faraday Il campo E nasce dalle cariche Il campo B circola attorno alle correnti elettriche Un campo E circola attorno a un campo dB/dt

12 01/10/0712 Maxwell E B Faraday Maxwell Colse una contraddizione nelle leggi note e la corresse ipotizzando un fenomeno analogo a quello scoperto da Faraday dB/dt dE/dt

13 01/10/0713 Le Equazioni di Maxwell

14 01/10/0714 La scoperta di Maxwell dE/dt dB/dt dE/dt Giocando con le sue equazioni nel vuoto, Maxwell ne trasse una equazione donde elettromagnetiche con velocità di propagazione pari a quella della luce

15 01/10/0715 LUnificazione di Maxwell Onda Luminosa: E e B viaggiano e oscillano insieme trasportando uguale energia alla velocità c=300.00km/s che è una velocità limite E c ElettricitàMagnetismo Luce

16 01/10/0716 Campi di Carica in Moto Uniforme Un campo elettrico radiale e magnetico circolare accompagnano la carica. Una volta stabilito il moto uniforme i campi si muovono in virtù del reciproco accoppiamento locale.

17 01/10/0717 Irraggiamento di Carica Accelerata In corrispondenza di una accelerazione, per esempio un urto, si ha lemissione di un pacchetto donda elettromagnetica, che stabilisce i campi del nuovo moto uniforme, in tutto lo spazio.

18 01/10/0718 Luce di Sincrotrone

19 01/10/0719

20 01/10/0720 elettroni ondulatore luce Laser a Elettroni Liberi (FEL) Progetti SPARC e SPARX

21 01/10/0721 Antenna Radio trasmittente (o ricevente) Moto oscillante degli elettroni nel conduttore verticale

22 01/10/0722 Effetto Fotoelettrico Nel 1905, le singolari proprietà del fenomeno di estrazione di elettroni dai metalli mediante luce, indussero Einstein a ipotizzare che la luce viene emessa e assorbita in quanti di energia E=h e quantità di moto p =h/ : la luce è fatta di fotoni. Newton riteneva che la luce fosse fatta di particelle. Young stabilì che era fatta di onde, osservandone linterferenza.

23 01/10/0723 Interferenza Le onde di sorgenti monocromatiche e coerenti sommandosi generano figure caratteristiche, di interferenza. Gli effetti delle Onde Elettromagnetiche, come quelle sullacqua, si sommano.

24 01/10/0724 Diffrazione da una Fenditura Sottile Un fronte donda piana può essere immaginato come sorgente di ondine semicircolari emesse punto a punto, da cui nasce per sovrapposizione il fronte successivo (Principio di Huygens)

25 01/10/0725 Interferenza da Doppia Fenditura Interferenza tra due sorgenti di onde monocromatiche e coerenti

26 01/10/0726 Diffrazione da Fenditura Estesa Equivalente a Interferenza di numerose fenditure sottili La scala della figura è fissata dalla lunghezza donda Frange di diffrazione, lontano

27 01/10/0727 Lunghezze dOnda Elettromagnetiche Radio metri Micro-onde Infrarosso Luce decimillesimi di millimetro Ultravioletto Raggi X milionesimi di millimetro Raggi Lo spettro è illimitato sopra e sotto

28 01/10/0728 LEsperimento di Young, circa 1800 Losservazione delle frange dinterferenza della luce da due fenditure fu difficile data la piccola lunghezza donda. Il file musicale di un CD è impresso su una spirale di passo dellordine di 1 m che costituisce un reticolo di diffrazione per riflessione. Leffetto è vistoso perchè lintensità si concentra nelle direzioni a interferenza costruttiva, che dipendono dalla lunghezza donda, vale a dire dal colore.

29 01/10/0729 Interferenza e Selezione Naturale Leffetto di iridescenza delle piume di molti uccelli è frutto del reticolo di diffrazione costituito da una struttura periodica a scaglie delle piume

30 01/10/0730 Fotoni e Interferenza … ma è un fatto che il singolo fotone – la singola particella di luce – interferisce con se stesso (esperimento di Taylor) Onda e particella sono concetti esclusivi …

31 01/10/0731 Interferenza di Singoli Fotoni In un dispositivo dinterferenza 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 dellonda a densità di probabilità di assorbimento del fotone. Le frange dinterferenza risultano dalla successiva accumulazione di eventi puntiformi.

32 01/10/0732 LIpotesi di de Broglie, 1913 Come una particella di luce di lunghezza donda possiede una quantità di moto p tale che p=h/, Così una particella materiale di quantità di moto p possiede una lunghezza donda tale che p=h/. La relazione p=h/ è universale.

33 01/10/0733 Diffrazione di Raggi X, mm Poli- cristallo Mono- cristallo

34 01/10/0734 Diffrazione di Raggi X ed Elettroni di pari lunghezza donda =h/p attraverso lo stesso foglio dalluminio ElettroniRaggi X

35 01/10/0735 La Diffrazione è un Fenomeno Universale Struttura periodica Rivelatore Sorgente monocromatica di singoli fotoni elettroni atomi molecole(*) P=h/ d /d (*) record: molecola di fullerene C 60 Frange periodiche a puntini

36 01/10/0736 Equazioni dOnda di Luce e dElettrone Equazione di Maxwell donda elettromagnetica: Equazione di Schroedinger delettrone libero:

37 01/10/0737 Onda Radio Il campo E di unonda radio può essere osservato direttamente con strumenti semplici

38 01/10/0738 Onda Luminosa Data la piccola lunghezza donda, di un fascio di luce può essere in pratica osservata direttamente in un punto la densità di potenza assorbita che è proporzionale allampiezza del campo al quadrato, I E 2 Per un singolo fotone perde di significato la nozione di campo. Può essere nota in un punto la densità di probabilità dassorbimento che è proporzionale a unampiezza di probabilità al quadrato, P 2

39 01/10/0739 LOnda Elettronica La funzione donda elettronica non è un campo fisico che si propaga nello spazio. Nessuno è riuscito a costruire un modello. Esempio di modello non riuscito:

40 01/10/0740 Dualismo Onda-Particella Singole particelle Struttura dinterferenza Puntini P 2 P=h/ d e d Metafore: Onda di Probabilità Collasso della Funzione dOnda

41 01/10/0741 Principio dIndeterminazione: Singoli elettroni di quantità di moto h/ Doppia fenditura Rivelatore Per osservare cosa passa attraverso una fenditura è necessario illuminarla con fotoni di 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 dinterferenza. elettrone luce

42 01/10/0742 LAtomo dIdrogeno nello Stato Fondamentale Significato fisico: esprime la densità di probabilità di osservare lelettrone nellintorno di un punto Funzione dOnda:

43 01/10/0743 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 dellIdrogeno I fotoni (che hanno spin 1) hanno tendenza opposta: fotoni identici tendono a sovrapporsi localmente, dando luogo ai campi elettrici e magnetici macroscopici.

44 01/10/0744 Rivelazione di Particelle Cariche dAlta Energia Particelle di elevata quantità di moto p hanno un p elevato, possono essere osservate senza apprezzabile effetto dindeterminazione nella localizzazione ( x piccolo) anche nelle migliori condizioni di precisione della tecnologia (millesimi di millimetro)

45 01/10/0745 Traccia di Ionizzazione Di una particella carica riveliamo la traccia di ionizzazione atomica nella materia attraversata particella carica energetica atomo elettrone

46 01/10/0746 Camera a Ionizzazione Isolante in campo elettrico Particella carica energetica Traccia di elettroni e ioni 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.

47 01/10/0747 Moltiplicazione di Elettroni in Gas su Filo Moltiplicazione elettronica a valanga nel campo intenso in prossimità del filo Elettrone di ionizzazione Filo metallico sottile, 50 m, anodo

48 01/10/0748 Rivelazione di Fotoni dAlta Energia Un fotone dalta energia attraversando la materia crea uno sciame elettromagnetico

49 01/10/0749

50 01/10/0750

51 01/10/0751 Il Rivelatore Kloe Ferro di ritorno del solenoide super- conduttore Elettroni e positroni Rivelatore di fotoni Camera a deriva

52 01/10/0752 Il Rivelatore Kloe su Dafne

53 01/10/0753 La Camera a Deriva di Kloe fili metallici tesi in un volume di 20 metri cubi, pieno di una miscela gassosa a base di gas Elio, capace di visualizzare tracce con precisione di un decimo di millimetro

54 01/10/0754 Il Calorimetro di Kloe Piombo e fibre scintillanti Fotomoltiplicatori

55 01/10/0755 Kloe Evento e + e -

56 01/10/0756 Evento K + K - Kloe

57 01/10/0757 Kloe Evento K S K L

58 01/10/0758 Interferenza Quantistica in Kloe Effetti non locali

59 01/10/0759 Una delle sorprendenti caratteristiche della natura è la varietà degli schemi interpretativi possibili. Risulta che questo è possibile solo perché le leggi sono proprio così, speciali e delicate. Per esempio, che la legge sia linverso del quadrato della distanza è ciò che le permette di essere espressa in forma locale. (Feynman, La legge fisica) Conclusione


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