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La Luce di Sincrotrone generalita’ ed alcune applicazioni. M. Benfatto Gruppo teorico - Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN. Programma del seminario. Generalita’ e caratteristiche fondamentali Diffrazione Assorbimento di raggi X da stati profondi.

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Presentation Transcript
la luce di sincrotrone generalita ed alcune applicazioni

La Luce di Sincrotronegeneralita’ ed alcune applicazioni

M. Benfatto

Gruppo teorico - Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN

programma del seminario
Programma del seminario
  • Generalita’ e caratteristiche fondamentali
  • Diffrazione
  • Assorbimento di raggi X da stati profondi
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La luce, o meglio la radiazione elettromagnetica (e.m.), e’ il principale mezzo di indagine nel campo scientifico

prime memorie di calcolatore grandezza ~ 1 mm = 10-6 Km

via lattea – grandezza ~ 50.000 anni luce ~ 4.7 x 1017 Km

slide4

la radiazione e.m. si accoppia debolmente con la materia.

Il sistema in esame e’ debolmente perturbato

perche’

in altre parole si ha un mezzo di indagine non distruttiva della materia

slide5

sincrotrone

neutroni

Molecole/atomi

nuclei

casa

cellule

Onde radio

soft X-rays

gamma rays

visibile

hard X-rays

la radiazione e.m. si manipola facilmente – specchi, lenti, cristalli……

ed inoltre

si puo’ facilmente accedere a scale di lunghezze estremamente differenti “semplicemente” cambiando l’energia dei fotoni

slide6

Il campo elettrico di una carica che si muove di moto arbitrario e’ formato da due pezzi

accelerazione

velocita’

La luce di sincrotrone e’ radiazione elettromagnetica

come si genera ?

slide7

La potenza totale irradiata su tutto l’angolo solido risulta essere

dove

proporzionale al quadrato dell’ accelerazione

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

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F

Forza di Lorentz

B

e-

F =evB

v

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

slide9

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

slide10

Magnete curvante

Elettroni

Radiazione di

sincrotrone

Elettroni

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Distribuzione spettrale

lc e’ un lunghezza d’onda critica che e’ inversamente proporzionale al quadrato dell’ energia della macchina. Per DAFNE e’ circa 38 Å che equivalgono a circa 320 eV.

notare lo spettro quasi continuo

slide12

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

L’emissione dipende solo dalla temperatura

slide13

In una lampada a scarica lo spettro emesso e’ a righe. L’emissione dipende dal tipo di materiale usato.

Spettro del mercurio

slide14

Numero di fotoni – la brillanza

notare che il numero di Avogadro e’ 1023

caratteristiche lds
Caratteristiche LdS
  • Alta brillanza
  • Spettro continuo dall’infrarosso ai raggi X duri
  • Emissione pulsata – impulsi di circa 100 ps

inoltre

Polarizzazione ben definita, stabilita’ del fascio,

facilita’ di manipolazione …

un po di storia

Primi acceleratori

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

1930

1947

Verso energie

piu’ alte

1980

Costruzione delle macchine dedicate

Fisica delle particelle

Radiazione di Sincrotrone

In Italia parte ufficialmente il progetto PULS(Progetto Utilizzazione Luce di Sincrotrone) nel 1975 con l’uso di ADONE - Prime ricerche sulla spettroscopia di assorbimento di raggi X da stati profondi

Un po’ di storia

slide18

Attualmente circa 40 macchine

dedicate ed altre in costruzione

slide19

ESRF – European Synchrotron

Radiation Facility

circa 40 beam lines intorno all’anello

slide20

ESRF e’ una cooperazione di

16 paesi europei – L’Italia

partecipa al 15%.

Budget annuale ~ 64 Meuro

L’Italia ha progettato e

costruito la linea GILDA

E’ situato a Grenoble

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magnete curvante

ondulatore

anello di accumulazione

slide22

anello di accumulazione

sala delle ottiche

sala sperimentale

cabina di controllo

dove si utilizza

biologia

fisica

medicina

Dove si utilizza

Scienze dell’ambiente

Scienze dei materiali

chimica

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alcuni esperimenti

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

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campo e.m e materia interagiscono

campo e.m e materia ritornano lontani – il campo puo’ avere un numero diverso di fotoni

campo e.m e materia non si vedono – il campo ha un certo numero di fotoni

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assorbimento di un fotone

Processo al secondo ordine assorbimento di un fotone seguito da emissione

materia

campo

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)

dalla probabilita’ di transizione si passa alla sezione d’urto s che e’ la quantita’ che si misura normalmente

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Hamiltoniana imperturbata campo + materia (sistema atomico)

Hamiltoniana di interazione nella gauge di Coulomb – trascuriamo lo spin

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Si puo’ dimostrare che il pezzo da origine all’assorbimento (emissione) di un fotone – contemporaneamente gli elettroni nella materia fanno una qualche transizione elettronica in maniera da conservare l’energia nel processo reale.

La materia passa da uno stato eccitato ad uno ad energia piu’ bassa b emettendo un fotone

assorbendo un fotone la materia passa ad uno stato eccitato b

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Il pezzo in da origine alla diffusione della luce e quindi a tutti i fenomeni di diffrazione

se a=b l’urto e’ elastico cioe’ il sistema atomico rimane alla stessa energia, e nel caso del cristallo si ha il fenomeno della diffrazione

diffrazione

kf

q

ki

Diffrazione

Processo fisico: urto elastico della luce con la nuvola elettronica dell’atomo - pezzo A2

un elettrone

Intensita’ del campo elettrico a distanza r dall’elettrone e in direzione kf

da notare che e’ inversamente proporzionale al quadrato della massa – i nuclei non danno contributo

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rn

ki

O

kf

P

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

un insieme di atomi il cristallo

n atomi per cella unitaria

definiti dai vettori r1…rn

rn

La posizione della cella rispetto ad un sistema di riferimento e’ definita da 3 interi m1,m2,m3

a1

a2

Un insieme di atomi : il cristallo

insieme “ordinato” di atomi – e’ una ripetizione

tridimensinale di una unita’ elementare (cella unitaria) di atomi o melecole.

cristallo

slide33

ki

O

kf

P

Come prima si misura l’intensita’ I del campo elettrico nel punto P

di osservazione

Bisogna sommare su tutti gli n-atomi della cella unitaria e su

tutte le celle unitarie M che compongono il cristallo

slide34

Dove I0 e’ l’intensita del campo elettrico incidente mentre F

e’ il fattore di struttura - N1N2N3=M

Somma sugli atomi della cella unitaria – indice n

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crystal

detector

danno origine a picchi ben definiti con massimi dell’ordine di N2 per

Le funzioni del tipo

Legge di Bragg

q angolo di incidenza rispetto

al piano reticolare

n intero

d distanza tra piani reticolari

l lunghezza d’onda

ki

kf

q

q

2d sinq = nl

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Viene misurata l’intensita’ diffratta in funzione dell’angolo q

Da questi dati si possono ricostruire delle mappe di densita’ di carica – posizione degli atomi.

caratteristiche principali
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
slide38

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 l – l compreso tra due valori.

slide39

In questa maniera si riescono ad ottenere informazioni sulla struttura delle proteine

Struttura del capside del virus dell’epatite B dell’uomo

Un “ gomitolo ” del diametro di circa 130 Å e con spirali lunghe circa 25 Å.

Si e’ sfruttata la brillanza e la tunabilita’della LdS

slide40

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

problemi
problemi
  • 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.
assorbimento raggi x xas

dx

I0

I

dI=m(E) I dx

I=I0e-m(E)x

Assorbimento raggi X - XAS

Si misura m in funzione dell’energia dei fotoni incidenti

slide44

Raggi x monocromatici

sincrotrone

I0

I

Raggi x policromatici

campione

Schema tipico esperimento XAS

slide45

Ionisation threshold

3s

2p3/2

L3

2p1/2

L2

X-ray

L1

2s

K

1s

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

slide46

perche’ le oscillazioni

interferenza al sito fotoassorbitore

Compaiono le modulazioni nel coefficiente di assorbimento

slide47

Il coefficiente di assorbimento puo’ essere scritto come

L’elettrone fotoemesso urta con gli atomi circostanti prima di ritornare a quello assorbente

slide48

Ge k-edge

T.F.

Informazioni strutturali tridimensionali nell’intorno di qualche decina di angstrom dall’atomo fotoassorbitore.

caratteristiche principali1
Caratteristiche principali
  • Nessuna necessita’ di cristalli
  • Selettivita’ atomica
  • Informazioni di corto range
  • Maggiore laboriosita’ interpretativa
slide51

Lo stato chimico del mercurio nei pesci

Soglia LIII 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

slide52

... e molte altre applicazioni: dall’imaging alla litografia per micromeccanica

Particolare di un osso di topo – dimensioni 1.8 mm

Da applicazioni utili all’industria a quelle di tipo medico e nel campo della storia dell’arte.

sviluppi futuri possibili
Sviluppi futuri(possibili)

Migliore uso delle attuali sorgenti: ottiche, rivelatori...

Sorgenti di 4th generazione: FEL

Si cerca di aumentare la brillanza - le macchine in progetto hanno una brillanza media circa 1000 volte piu’ alta di quelle attuali!

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Diffrazione senza cristallo

l =1.5 Angs, 2x1012 fotoni – 10 fsec

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Diffrazione di raggi X molli da strutture non cristalline

l = 1.7 nm

Ondulatore al laboratorio NSLS (USA)

Punti di oro di circa 100nm

Grande potere diffusivo Z=79

slide56

Problemi : il campione si decompone in 20 – 30 fs

La luce percorre in 1fs circa 0.3 mm.

ringraziamenti in ordine sparso
Ringraziamenti (in ordine sparso)

Il gruppo DaFne-L; in particolare

A. Marcelli

E. Pace

A.Raco

Manolo Sanchez Del-Rio del laboratorio ESRF

S. Della Longa – Universita’ dell’Aquila

D. Babusci dei LNF