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La Luce di Sincrotrone La Luce di Sincrotrone generalita ed alcune applicazioni M. Benfatto Gruppo teorico - Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN.

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Presentazione sul tema: "La Luce di Sincrotrone La Luce di Sincrotrone generalita ed alcune applicazioni M. Benfatto Gruppo teorico - Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN."— Transcript della presentazione:

1 La Luce di Sincrotrone La Luce di Sincrotrone generalita ed alcune applicazioni M. Benfatto Gruppo teorico - Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN

2 Programma del seminario Generalita e caratteristiche fondamentali Diffrazione Assorbimento di raggi X da stati profondi

3 La luce, o meglio la radiazione elettromagnetica (e.m.), e il principale mezzo di indagine nel campo scientifico via lattea – grandezza ~ anni luce ~ 4.7 x Km prime memorie di calcolatore grandezza ~ 1 mm = Km

4 perche Il sistema in esame e debolmente perturbato la radiazione e.m. si accoppia debolmente con la materia. in altre parole si ha un mezzo di indagine non distruttiva della materia

5 Onde radio visibile soft X-rays hard X-rays gamma rays casacellule Molecole/atominuclei sincrotrone neutroni si puo facilmente accedere a scale di lunghezze estremamente differenti semplicemente cambiando lenergia dei fotoni la radiazione e.m. si manipola facilmente – specchi, lenti, cristalli…… ed inoltre

6 La luce di sincrotrone e radiazione elettromagnetica come si genera ? velocita accelerazione Il campo elettrico di una carica che si muove di moto arbitrario e formato da due pezzi

7 Il termine dipendente dall accelerazione genera la radiazione e.m. che noi osserviamo – stesso meccanismo che si verifica nelle attenne radio dove le cariche (gli elettroni del metallo) oscillano periodicamente La potenza totale irradiata su tutto langolo solido risulta essere dove proporzionale al quadrato dell accelerazione

8 Una particella carica che viaggia in una traiettoria curva, essendo accelerata, emette radiazione elettromagnetica la cui energia dipende dalla massa, dall energia della particella e dal raggio di curvatura della traiettoria Nel caso degli anelli di accumulazione Radiazione di sincrotrone Forza di Lorentz F = e v B B v Fe-e-

9 A velocita relativistica la radiazione emessa appare ad un osservatore tutta concentrata in un cono piccolissimo < 1 mrad

10 Elettroni Radiazione di sincrotrone Elettroni Magnete curvante

11 Distribuzione spettrale c e un lunghezza donda critica che e inversamente proporzionale al quadrato dell energia della macchina. Per DA NE e circa 38 Å che equivalgono a circa 320 eV. notare lo spettro quasi continuo

12 Invece le sorgenti convenzionali.... ogni oggetto fisico a temperatura diversa da zero emette radiazione e.m. - se la radiazione emessa e in equilibrio con quella che riceve allora siamo in condizione di corpo nero. E una situazione ideale – un corpo reale emette di meno Lemissione dipende solo dalla temperatura

13 In una lampada a scarica lo spettro emesso e a righe. Lemissione dipende dal tipo di materiale usato. Spettro del mercurio

14 Numero di fotoni – la brillanza notare che il numero di Avogadro e 10 23

15

16 Caratteristiche LdS Alta brillanzaAlta brillanza Spettro continuo dallinfrarosso ai raggi X duriSpettro continuo dallinfrarosso ai raggi X duri Emissione pulsata – impulsi di circa 100 psEmissione pulsata – impulsi di circa 100 ps inoltre Polarizzazione ben definita, stabilita del fascio, facilita di manipolazione …

17 Un po di storia Fisica delle particelle Radiazione di Sincrotrone Primi acceleratori Verso energie piu alte Costruzione delle macchine dedicate In Italia parte ufficialmente il progetto PULS (Progetto Utilizzazione Luce di Sincrotrone) nel 1975 con luso di ADONE - Prime ricerche sulla spettroscopia di assorbimento di raggi X da stati profondi Prime osservazioni di LdS fatte da Herb Pollock, Robert Langmuir, Frank Elder and Anatole Gurewitsch alla General Electric Research Laboratory, Schenectady, New York con un sincrotrone di 70 MeV

18 Attualmente circa 40 macchine dedicate ed altre in costruzione

19 ESRF – European Synchrotron Radiation Facility circa 40 beam lines intorno allanello

20 ESRF e una cooperazione di 16 paesi europei – LItalia partecipa al 15%. Budget annuale ~ 64 Meuro LItalia ha progettato e costruito la linea GILDA E situato a Grenoble

21 magnete curvante ondulatore anello di accumulazione

22 cabina di controllo sala sperimentale sala delle ottiche anello di accumulazione

23 Dove si utilizza Scienze dei materiali biologia Scienze dellambiente medicina fisica chimica

24 alcuni esperimenti La luce interagisce in qualche maniera con la materia – dobbiamo descrivere questa interazione

25 campo e.m e materia non si vedono – il campo ha un certo numero di fotoni campo e.m e materia interagiscono campo e.m e materia ritornano lontani – il campo puo avere un numero diverso di fotoni

26 materiacampo in realta la probabilita di transizione e scritta come una serie perturbativa di cui quello scritto e il primo ordine e rappresenta il contributo dominante (quando e diverso da zero). La serie si puo rappresentare graficamente (diagrammi di Feynman) assorbimento di un fotone Processo al secondo ordine assorbimento di un fotone seguito da emissione dalla probabilita di transizione si passa alla sezione durto che e la quantita che si misura normalmente

27 Hamiltoniana imperturbata campo + materia (sistema atomico) Hamiltoniana di interazione nella gauge di Coulomb – trascuriamo lo spin

28 Si puo dimostrare che il pezzo da origine allassorbimento (emissione) di un fotone – contemporaneamente gli elettroni nella materia fanno una qualche transizione elettronica in maniera da conservare lenergia nel processo reale. assorbendo un fotone la materia passa ad uno stato eccitato b La materia passa da uno stato eccitato ad uno ad energia piu bassa b emettendo un fotone

29 Il pezzo in da origine alla diffusione della luce e quindi a tutti i fenomeni di diffrazione se a=b lurto e elastico cioe il sistema atomico rimane alla stessa energia, e nel caso del cristallo si ha il fenomeno della diffrazione

30 Diffrazione Processo fisico: urto elastico della luce con la nuvola elettronica dellatomo - pezzo A 2 un elettrone Intensita del campo elettrico a distanza r dallelettrone e in direzione k f kiki kfkf da notare che e inversamente proporzionale al quadrato della massa – i nuclei non danno contributo

31 O P kiki kfkf rnrn due elettroni entra una differenza di fase un atomo sommo su tutti gli elettroni fattore di scattering atomico atomi ad alto Z diffondono in misura maggiore di quelli leggeri

32 Un insieme di atomi : il cristallo cristallo insieme ordinato di atomi – e una ripetizione tridimensinale di una unita elementare (cella unitaria) di atomi o melecole. a1a1 a2a2 rnrn n atomi per cella unitaria definiti dai vettori r 1 …r n La posizione della cella rispetto ad un sistema di riferimento e definita da 3 interi m 1,m 2,m 3

33 O P kiki kfkf Bisogna sommare su tutti gli n-atomi della cella unitaria e su tutte le celle unitarie M che compongono il cristallo Come prima si misura lintensita I del campo elettrico nel punto P di osservazione

34 Dove I 0 e lintensita del campo elettrico incidente mentre F e il fattore di struttura - N 1 N 2 N 3 =M Somma sugli atomi della cella unitaria – indice n

35 detector crystal Le funzioni del tipo danno origine a picchi ben definiti con massimi dellordine di N 2 per Legge di Bragg 2d sin = n angolo di incidenza rispetto al piano reticolare n intero d distanza tra piani reticolari lunghezza donda kiki kfkf

36 Viene misurata lintensita diffratta in funzione dellangolo Da questi dati si possono ricostruire delle mappe di densita di carica – posizione degli atomi.

37 Caratteristiche principali Informazioni geometriche di lungo range Necessita di avere un cristallo o almeno un qualche tipo di ordine Tecnica estremamente ben consolidata sia sperimentalmente che teoricamente

38 Nei moderni sincrotroni la diffrazione viene principalmente usata per lo studio di strutture proteiche molti atomi per cella unitaria - poche celle unitarie - cristalli piccolissimi – basso Z Modalita alla Laue: si raccoglie lo spettro contemporaneamente per molti valori di – compreso tra due valori.

39 In questa maniera si riescono ad ottenere informazioni sulla struttura delle proteine Struttura del capside del virus dellepatite B delluomo Si e sfruttata la brillanza e la tunabilitadella LdS Un gomitolo del diametro di circa 130 Å e con spirali lunghe circa 25 Å.

40 Struttura della rodpsina: e una proteina che e specializzata nella trasformazione della luce solare in segnale riconoscibile e trasportabile al cervello.

41 Necessita di avere un cristallo – molte proteine non si cristallizzano Poche proteine sono note a risoluzione atomica il che implica una risoluzione nelle distanze interatomiche peggiore di 0.1 Å. problemi

42 Geologia

43 Assorbimento raggi X - XAS dx I0I0 I dI= (E) I dx I=I 0 e - (E)x Si misura in funzione dellenergia dei fotoni incidenti

44 Schema tipico esperimento XAS Raggi x policromatici Raggi x monocromatici sincrotrone I0I0 I campione

45 1s 2s 2p 1/2 2p 3/2 3s K L1L1 L2L2 L3L3 X-ray Ionisation threshold Processo fisico: eccitazione di un elettrone dagli stati profondi – pezzo in questo caso gli stati iniziali sono molto localizzati spazialmente in un ben specifico atomo ed hanno energie ben definite Specificita atomica K-edges (eV) Fe 7111 Co 7709 Ni 8333 Cu 8979 Zn 9659

46 perche le oscillazioni interferenza al sito fotoassorbitore Compaiono le modulazioni nel coefficiente di assorbimento

47 Il coefficiente di assorbimento puo essere scritto come Lelettrone fotoemesso urta con gli atomi circostanti prima di ritornare a quello assorbente

48 Ge k-edge T.F. Informazioni strutturali tridimensionali nellintorno di qualche decina di angstrom dallatomo fotoassorbitore.

49 Caratteristiche principali Nessuna necessita di cristalli Selettivita atomica Informazioni di corto range Maggiore laboriosita interpretativa

50 Lo studio di un catalizzatore

51 Lo stato chimico del mercurio nei pesci Soglia L III del mercurio presente nel tessuto muscolare del pesce spada confrontato con diverse soluzioni campione – a seconda dello stato chimico il mercurio puo essere piu o meno tossico

52 ... e molte altre applicazioni: dallimaging alla litografia per micromeccanica Da applicazioni utili allindustria a quelle di tipo medico e nel campo della storia dellarte. Particolare di un osso di topo – dimensioni 1.8 m

53 Sviluppi futuri (possibili) Migliore uso delle attuali sorgenti: ottiche, rivelatori... Sorgenti di 4 th generazione: FEL Si cerca di aumentare la brillanza - le macchine in progetto hanno una brillanza media circa 1000 volte piu alta di quelle attuali!

54 Diffrazione senza cristallo =1.5 Angs, 2x10 12 fotoni – 10 fsec

55 Diffrazione di raggi X molli da strutture non cristalline Punti di oro di circa 100nm Grande potere diffusivo Z=79 = 1.7 nm Ondulatore al laboratorio NSLS (USA)

56 Problemi : il campione si decompone in 20 – 30 fs La luce percorre in 1fs circa 0.3 m.

57 Ringraziamenti (in ordine sparso) Il gruppo Da ne-L; in particolare A. Marcelli E. Pace A.Raco Manolo Sanchez Del-Rio del laboratorio ESRF S. Della Longa – Universita dellAquila D. Babusci dei LNF


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