69709 - FISICA DEI RAGGI X E LUCE DI SINCROTRONE

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso, lo studente possiede conoscenze, a livello medio-avanzato, relative a: - caratteristiche delle sorgenti di luce di sincrotrone; - interazione raggi X – materia; - principali tecniche sperimentali: diffrazione di raggi X, spettroscopia di assorbimento di raggi X, fotoemissione; - altre tecniche sperimentali: diffusione a basso angolo, dicroismo magnetico circolare.

Contenuti

Il corso ha l'obiettivo di illustrare gli aspetti fisici generali dell'interazione radiazione - materia, con particolare riguardo all'intervallo spettrale dei raggi X, e i principali metodi sperimentali di indagine utilizzati nella ricerca attuale nel campo della fisica della materia e della fisica applicata.

La descrizione dell'interazione radiazione - materia prenderà le mosse dall'elettrodinamica classica e dal modello della materia come insieme di oscillatori armonici smorzati. L'accoppiamento radiazione materia verrà descritta sia con un approccio macroscopico (permettività, indice rifrazione) sia con approccio microscopico - atomico (fattore di forma); verrà illustrata la relazione tra questi approcci, il teorema ottico, le conseguenze del principio di causalità (relazioni di Kramers - Kroenig tra parte reale ed immaginaria della permettività), alcuni elementi della teoria della risposta lineare ed il teorema fluttuazione - dissipazione.

L'interazione radiazione - materia verrà quindi descritta in termini quantistici. Innanzitutto, verranno illustrati i principali fenomeni di interazione: assorbimento fotoelettrico (e fenomeni di diseccitazione correlati), diffusione elastica (coerente) ed anelastica (incoerente). Successivamente, a partire dalla teoria delle perturbazioni dipendenti dal tempo (regola d'oro di Fermi), verranno derivate le sezioni d'urto di assorbimento fotoelettrico e di diffusione da parte di atomi idrogenoidi, mettendo in evidenza le approssimazioni effettuate e le conseguenze dei principi di conservazione dell'energia e del momento angolare. Infine, sarà accennata l'estensione agli atomi a molti elettroni, alle molecole ed agli stati condensati.

Dopo una breve descrizione degli elementi costruttivi degli anelli di accumulazione di elettroni relativistici, verranno illustrate le principali proprietà delle sorgenti di luce di sincrotrone, chiarendo quali proprietà derivano direttamenti dalle leggi della fisica (in particolare, il principio di sovrapposizione per l'interferenza di onde EM, le trasformazioni relativistiche di Lorentz ed il principio di indeterminazione di Heisenberg) e quali discendano invece da limiti costruttivi degli acceleratori. Seguirà un cenno alle nuove sorgenti basate su acceleratori lineari: laser ad elettroni liberi.

Saranno qunidi descritti i principali metodi di indagine sulle proprietà fisiche della materia basati su raggi X e luce di sincrotrone ed utilizzati nella ricerca attuale nel campo della fisica della materia e fisica applicata: diffrazione di raggi X, diffusione a basso angolo, spettroscopia di assorbimento ed emissione di raggi X, fotoemissione, dicroismo magnetico circolare, metodi di imaging basati sul contrasto di assorbimento e contrasto di fase.

Testi/Bibliografia

[1] F. Boscherini, lezione Sorgenti di Luce di Sincrotrone, reperibile su http://campus.cib.unibo.it.

[2] S. Mobilio and A. Balerna, Introduction to the main properties of Synchrotron Radiation, in “Synchrotron Radiation: Fundamentals, Methodologies and Applications”, a cura di S. Mobilio e G. Vlaic, Società Italiana di Fisica, Atti di Conferenze, volume 82, Bologna (2003).

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[5] J.D. Jackson, Classical Electrodynamics, 3rd edition, Wiley, New York (1999).

[6] F. Boscherini, lezione Interazione raggi X - materia, reperibile su http://campus.cib.unibo.it.

[7] F. Boscherini, lezione Ottiche per luce di sincrotrone, reperibile su http://campus.cib.unibo.it.

[8] F. Boscherini, dispense Interazione radiazione – atomi idrogenoidi, reperibile su http://campus.cib.unibo.it.

[9] B.H. Bransden and C.J. Joachain, “Physics of atoms and molecules”, 2nd edition, Prentice Hall (2003)

[10] P. Fornasini, lezione X – ray absorption spectroscopy, reperibile sul sito http://webusers.fis.uniroma3.it/sils (scuola Duino 2009).

[11] P. Fornasini, Introduction to X-ray absorption spectroscopy, in “Synchrotron Radiation: Fundamentals, Methodologies and Applications”, a cura di S. Mobilio e G. Vlaic, Società Italiana di Fisica, Atti di Conferenze, volume 82, Bologna (2003).

[12] B. Bunker, Introduction to XAFS: a practical guide to X-ray absorption spectroscopy, Cambridge University Press (2010).

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[15] L. Pasquini, dispense su Investigation of magnetic materials with synchrotron radiation, reperibile su http://campus.cib.unibo.it.

[16] L. Pasquini, lezione X-ray Magnetic Circular Dichroism and Small-Angle X-ray Scattering, reperibile su http://campus.cib.unibo.it

[17] J. Stöhr, H.C. Siegmann, Magnetism – From Fundamentals to Nanoscale Dynamics, Springer, Berlin Heidelberg (2006)

[18] F. Boscherini, lezione Introduzione ai cristalli, reperibile su http://campus.cib.unibo.it.

[19] N.W. Ashcroft and N.D. Mermin, “Solid State Physics”, Saunders, Fort Worth (1976).

[20] F. Boscherini, lezione Introduzione alla diffrazione di raggi X, reperibile su http://campus.cib.unibo.it.

[21] D. Viterbo, Diffraction by cristalline materials and its use with synchrotron radiation in “Synchrotron Radiation: Fundamentals, Methodologies and Applications”, a cura di S. Mobilio e G. Vlaic, Società Italiana di Fisica, Atti di Conferenze, volume 82, Bologna (2003).

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[22] B.E. Warren, X-ray diffraction, Dover, New York, 1990.

[23] A. Guagliardi & N. Masciocchi, Diffraction at the nanoscale, Insubria University Press.

[24] F. Boscherini, Dipense su Pair distribution function analysis of X-ray scattering and small angle x-ray scattering, reperibili su http://campus.cib.unibo.it.

Metodi didattici

Lezioni frontali alla lavagna e con presentazioni tramite PC e videoproiettore.
Dispense e materiale didattico saranno depositati su campus.cib.unibo.it

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Esame orale. A ciascuno studente verrà assegnato un articolo tratto dalle letteratura scientifica recente sulla base del quale dovrà essere preparata una presentazione di massimo 20 minuti. La presentazione dovrà essere così strutturata:

1) Fondamenti fisici della tecnica utilizzata, sulla base del programma svolto a lezione;

2) Caratteristiche della luce di sincrotrone utilizzate e giustificazione fisica delle medesime, sulla base del programma svolto a lezione;

3) Cenno all'apparato sperimentale (cosa è stato misurato e come);

4) Esposizione dei principali risultati ottenuti dagli autori ed esposti nell'articolo.

Link ad altre eventuali informazioni

http://www.df.unibo.it/fismat/rad-sinc/

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Federico Boscherini