Gli Elettroni e la Luce

1. Gli Elettroni e la Luce Enzo Iarocci Laboratori Nazionali di Frascati

2. Sommario Elettricità e Magnetismo Onde elettromagnetiche e Fotoni Dualismo Onda-Corpuscolo Rivelazione di Particelle

3. Forza Elettrica e Forza Magnetica

4. Legge di Coulomb dell’Elettrostatica F q Modello di azione diretta a distanza r Q

5. Il Modello di Campo (Faraday) L’azione magnetica o elettrica è mediata da un campo. La calamita crea nello spazio vuoto un campo magnetico che agisce localmente sui pezzetti di ferro

6. Concetto di Campo E’ una specie di tensione dello spazio vuoto descritta in ogni punto da un vettore

7. Condensatore carico Volume pieno di campo elettrico uniforme nel vuoto

8. Solenoide Filo avvolto a elica percorso da corrente elettrica

9. Solenoide carico Volume pieno di campo magnetico uniforme nel vuoto

10. Circuito Oscillante Condensatore e solenoide si caricano e scaricano periodicamente a causa della induzione elettromagnetica (Faraday) condensatore solenoide

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

13. Le Equazioni di Maxwell

14. La scoperta di Maxwell Giocando con le sue equazioni nel vuoto, Maxwell ne trasse una equazione d’onde elettromagnetiche con velocità di propagazione pari a quella della luce dE/dt dE/dt dB/dt

15. L’Unificazione di Maxwell Elettricità Magnetismo Luce c E Onda Luminosa: E e B viaggiano e oscillano insieme trasportando uguale energia alla velocità c=300.00km/s che è una velocità limite

16. Campi di Carica in Moto Uniforme Un campo elettricoradiale e magneticocircolare accompagnano la carica. Una volta stabilito il moto uniforme i campi “si muovono” in virtù del reciproco accoppiamento locale.

17. Irraggiamento di Carica Accelerata In corrispondenza di una accelerazione, per esempio un urto, si ha l’emissione di un pacchetto d’ondaelettromagnetica, che stabilisce i campi del nuovo moto uniforme, in tutto lo spazio.

18. Luce di Sincrotrone

20. Laser a Elettroni Liberi (FEL) elettroni luce ondulatore Progetti SPARC e SPARX

21. Antenna Radio trasmittente (o ricevente) Moto oscillante degli elettroni nel conduttore verticale

22. 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 motop =h/: la luce è fatta di fotoni. Newton riteneva che la luce fosse fatta di particelle. Young stabilì che era fatta di onde, osservandone l’interferenza.

23. Interferenza Gli effetti delle Onde Elettromagnetiche, come quelle sull’acqua, si sommano. Le onde di sorgenti monocromatiche e coerenti sommandosi generano figure caratteristiche, di interferenza.

24. Diffrazione da una Fenditura Sottile Un fronte d’onda 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. Interferenza da Doppia Fenditura - + - + - + - Interferenza tra due sorgenti di onde monocromatiche e coerenti.

26. 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

27. Lunghezze d’Onda 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. 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. Il file musicale di un CD è impresso su una spirale di passo dell’ordine di 1m che costituisce un reticolo di diffrazione per riflessione. L’effetto è vistoso perchè l’intensità si concentra nelle direzioni a interferenza costruttiva, che dipendono dalla lunghezza d’onda, vale a dire dal colore.

29. Interferenza e Selezione Naturale L’effetto di iridescenza delle piume di molti uccelli è frutto del reticolo di diffrazione costituito da una struttura periodica a scaglie delle piume

30. Fotoni e Interferenza Onda e particella sono concetti esclusivi … …maè un fatto che il singolo fotone – la singola particella di luce – interferisce “con se stesso” (esperimento di Taylor)

31. 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 cometutto 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.

32. L’Ipotesi di de Broglie, 1913 Come una particella di luce di lunghezza d’onda  possiede una quantità di moto p tale che p=h/, Così una particella materiale di quantità di moto p possiede una lunghezza d’onda  tale che p=h/. La relazione p=h/ è universale.

33. Diffrazione di Raggi X,  10-6mm Poli-cristallo Mono- cristallo

34. Diffrazione di Raggi X ed Elettroni di pari lunghezza d’onda =h/p attraverso lo stesso foglio d’alluminio Raggi X Elettroni

35. La Diffrazione è un Fenomeno Universale Struttura periodica Rivelatore Sorgente monocromatica di singoli fotoni elettroni atomi molecole(*) Frange periodiche a puntini d P=h/ /d (*) record: molecola di fullerene C60

36. Equazioni d’Onda di Luce e d’Elettrone Equazione di Maxwell d’onda elettromagnetica: Equazione di Schroedinger d’elettrone libero:

37. Onda Radio Il campo E di un’onda radio può essere osservato direttamente con strumenti semplici

38. 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 proporzionale all’ampiezzadel campoal quadrato, IE2 Per un singolo fotone perde di significato la nozione di campo. Può essere nota in un punto la densità di probabilità d’assorbimento che è proporzionale a un’ampiezzadi probabilitàal quadrato, P2

39. L’Onda Elettronica La funzione d’onda elettronica  non è un campo fisico che si propaga nellospazio. Nessuno è riuscito a costruire un modello. Esempio di modello non riuscito:

40. Dualismo Onda-Particella Struttura d’interferenza Puntini Singole “particelle” d P=h/ ed  P2 Metafore: Onda di ProbabilitàCollasso della Funzione d’Onda

41. Principio d’Indeterminazione: Doppia fenditura Rivelatore Singoli elettroni di quantità di moto h/ elettrone luce 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 d’interferenza.

42. L’Atomo d’Idrogeno nello Stato Fondamentale Funzione d’Onda: Significato fisico: esprime la densità di probabilità di osservare l’elettrone nell’intorno di un punto

43. Differenza tra Particelle di Materia eParticelle che Scambiano Forze Livelli dell’Idrogeno 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. I fotoni (che hanno spin 1) hanno tendenza opposta: fotoni identici tendono a sovrapporsi localmente, dando luogo ai campi elettrici e magnetici macroscopici.

44. Rivelazione di Particelle Cariche d’Alta Energia Particelle di elevata quantità di moto p hanno unp elevato, possono essere osservate senza apprezzabile effetto d’indeterminazione nella localizzazione (x piccolo) anche nelle migliori condizioni di precisione della tecnologia (millesimi di millimetro)

45. Traccia di Ionizzazione Di una particella carica riveliamo la traccia di ionizzazioneatomica nella materia attraversata elettrone atomo particella carica energetica

46. 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 unacorrente. Localizzando la corrente con elettrodi a strisce, fili o pixel, si rendono visibili con precisione le tracce.

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

48. Rivelazione di Fotoni d’Alta Energia Un fotone d’alta energia attraversando la materia crea uno sciame elettromagnetico