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26/10/13

Sincrotrone? Chi è “costui”? ***

Questo articolo è stato inserito nell'approfondimento dedicato all'aberrazione della luce

 

Un nome sicuramente affascinante: radiazione di sincrotrone. Già a pronunciare questa parola uno si sente mezzo scienziato. Oltretutto, se ne sente parlare quando si descrivono le apparecchiature più sofisticate per lo studio della fisica nucleare, come gli acceleratori di particelle. Deve sicuramente essere qualcosa di veramente importante. Tuttavia, non è un’invenzione dell’uomo, ma della Natura e le stelle ci mostrano di saperla produrre in moltissimi casi. Se per l’uomo può a volte essere un “fastidio”, per gli astri è uno dei più evidenti segnali che inviano all’Universo. Cercherò di descrivere questo fenomeno in modo molto semplificato e intuitivo. Non pretendete troppo, però…

Per la nostra chiacchierata non occorre molto. Un bel campo magnetico e un elettrone (meglio se tanti) che sia libero di muoversi al di fuori della sua abitazione “normale” (l’atomo). Non ci vuole altro. Beh… le stelle, in particolari momenti della loro vita, hanno tutto l’occorrente per eseguire l’esperimento. Potremmo già iniziare. Tuttavia, è meglio conoscere un po’ meglio le caratteristiche dell’elettrone quando si trova da “solo” e quando può muoversi a piacimento e -soprattutto- accelerare. Accelerare, questa è proprio la parola chiave.

Facciamo un piccolo passo indietro. Ciò che riusciamo a vedere nell’Universo dipende da ciò che chiamiamo “luce”. Essa è  l’informazione più importante che gli astri ci inviano, anzi praticamente la sola. Esisterebbe anche la gravità ma non è la stessa cosa. Immaginate di ricostruire la struttura dell’Universo basandoci solo sulla gravità che agisce su di noi da parte di tutti gli oggetti del Cosmo. Non capiremmo niente e -oltretutto- potremmo leggere solo gli effetti relativi a uno spazio molto vicino. Per il momento è così, in attesa -magari- di avere orecchie enormi e sensibilissime anche per le onde gravitazionali (NEWS! Rilevate le onde gravitazionali).

Tuttavia, parlare di luce è inesatto. Più giustamente dobbiamo parlare di radiazione elettromagnetica. Essa si muove come le onde su un mare. Non è certo un discorso nuovo, dato che ormai abbiamo imparato molto sulla natura ondulatoria dei fotoni e di come siano capaci di trasformarsi in particelle. Ma lasciamoli stare, in questo contesto. La radiazione elettromagnetica è un’oscillazione regolata da  un campo magnetico e da uno elettrico. Per il momento non scendiamo in maggiori dettagli se no dovremmo scomodare il Sig. Maxwell e scrivere un libro intero. Limitiamoci a ciò che viene prodotto e a come si muove.

Ripeto ancora che le onde elettromagnetiche si propagano in direzione perpendicolare rispetto all’oscillazione. Proprio come le onde marine. L’acqua sale e scende soltanto (oscillazione), mentre l’onda (che fa oscillare l’acqua) si muove in direzione perpendicolare all’oscillazione.

Quando si origina un’onda elettromagnetica? Qui sta il succo dell’intera faccenda. E’ necessario che una particella carica (protone o elettrone) subisca un’accelerazione, a seguito di una qualche forza che la obblighi a cambiare la sua traiettoria. Sappiamo bene che i protoni sono molto più pesanti degli elettroni e quindi decisamente più “pigri” o -meglio- più difficili a spostarsi. Ben più “reattivi” sono gli elettroni, sempre in perfetta forma, agili e leggeri. Addirittura mille volte più leggeri dei fratelli protoni. Ne segue che sono proprio loro le particelle più disponibili a muoversi, ad accelerare e a produrre onde elettromagnetiche.

Se l’elettrone (che ha una carica negativa) si muovesse a velocità costante, si porterebbe dietro il proprio campo elettrico come noi facciamo con un secchio pieno d’acqua. Camminando in modo regolare e facendo molta attenzione l’acqua rimarrebbe immobile. Tuttavia, se qualcuno ci desse uno scossone o una spinta, noi ci fermeremmo improvvisamente o saremmo lanciati in avanti. Cosa capiterebbe all’acqua del secchiello? Si agiterebbe e creerebbe un’onda. Proprio quello che capita al campo di un elettrone se esso subisce una variazione di velocità, ossia un’accelerazione o una decelerazione.

Questo concetto è molto importante: per potere “vedere” qualcosa è necessario che una particella (soprattutto un elettrone) sia libera di muoversi e subisca uno “scossone”. Ricordate l’epoca buia dell’Universo, quando vi erano solo atomi neutri? Nebbia, solo nebbia e nessuna informazione luminosa (ne abbiamo parlato, insieme a molto altro, QUI)

Vediamo, allora, quali sono alcuni tra gli scossoni più importanti che un elettrone può subire. Torniamo all’epoca buia. Quando è cominciata a crearsi la luce? Quando la temperatura all’interno di quegli enormi ammassi di idrogeno, che sarebbero diventate le stelle, ha iniziato a “rompere” gli atomi. Questo è il primo punto necessario: liberare l’elettrone dal legame con il nucleo atomico, dominato da protoni e neutroni.

Il gas si è trasformato in plasma, ossia in un miscuglio di nuclei atomici e di elettroni, liberi di muoversi a piacere. Come si muovono gli elettroni finalmente liberi? Non certo in modo regolare e costante. Devono continuamente evitare passaggi troppo ravvicinati con i nuclei o addirittura impatti veri e propri. In poche parole, eseguono una complicata gincana che riesce a mantenerli liberi grazie alla temperatura che li agita violentemente. In questo continuo cambiamento di direzione è ovvio che essi subiscono violente accelerazioni o decelerazioni. In questi casi ecco che il secchiello pieno d’acqua subisce uno scossone e sull’acqua si formano delle onde. Analogamente i campi degli elettroni producono le loro onde, ossia le radiazioni elettromagnetiche.

Notate che ho  parlato spesso di “campo”. Niente di speciale: è solo una specie di carta geografica che contraddistingue una forza e come essa agisce all’intorno della sorgente che la causa. La forza di gravità crea un campo gravitazionale, definito da certi parametri. La forza elettromagnetica definisce un campo elettromagnetico. Non andiamo oltre, per adesso ci basta e avanza.

La radiazione che si genera da questo andamento a dir poco caotico degli elettroni, viene chiamata “termica” e non ci vuole molto a capire perché. Essa è causata solo e soltanto dal movimento che gli elettroni subiscono a causa dell’agitazione che è legata direttamente alla temperatura. Un caso classico di questo tipo di radiazione è quella che si vede nelle nebulose che circondano le stelle. Il gas della nube è riscaldato dalla luce stellare, gli elettroni  si staccano dal nucleo e vagano con movimento caotico emettendo onde elettromagnetiche. Più complicato è il processo legato alle radiazioni degli interni stellari veri e propri, dove avviene la fusione nucleare che già conosciamo da altri articoli.

Guardiamo, invece, ciò che capita in prossimità di una stella, dove essa è circondata da un campo magnetico molto intenso. Immaginiamolo proprio come una rete di linee che escono da un polo ed entrano nell’altro. Una calamita, insomma. Cosa fa un elettrone che si trova invischiato in questa ragnatela? Si inserisce in orbita attorno a una linea magnetica. La sua velocità è costante e quindi non dovrebbe emettere radiazione. E qui casca l’asino!

Apro una piccola parentesi. A volte la fisica classica, anche la più elementare, sembra ormai “fuori moda” di fronte alle meraviglie che ci mostrano le strumentazioni più moderne che cercano di studiare le interazioni tra le particelle elementari. Eppure, senza le basi fondamentali, diventa difficile capire la fisica più avanzata. Un moto circolare a velocità costante non vuol dire un moto non accelerato. L’accelerazione esiste e come! Anzi, la particella è costantemente accelerata. Questa accelerazione non è altro che quella causata dalla forza centripeta. Più intuitivamente, essa è quella che permette alla particella di cambiare direzione ad ogni istante e descrivere l’orbita circolare. La corda che tiene unita una sfera di ferro alla mano di un lanciatore di martello. In parole più tecniche, la velocità è costante come intensità, ma varia continuamente in direzione, dato che deve mantenere il moto circolare. Chi vuole entrare nei dettagli delle velocità, accelerazioni, moti circolari, ecc., può andare a leggere la Fisica addormentata nel Bosco, dove tutto è spiegato mediante una matematica a livello di scuola media o poco più (per una trattazione ancora più elementare, potete leggere gli articoli dedicati alla fisica di Papalla).

Torniamo al nostro elettrone che durante la rotazione accelera e invia radiazione.  Se la velocità è relativamente bassa la luce si diffonde tutt’attorno e si ha una specie di ciambella attorno all’elettrone, come mostrato schematicamente in Fig.1.

fig.1
Figura 1

Tuttavia, se la velocità aumenta in modo sensibile, l’emissione non avviene più in tutte le direzioni, ma secondo un cono che punta verso la direzione del moto (Fig. 2).

fig.2
Figura 2

L’asse del cono coincide con la tangente all’orbita, istante per istante. L’elettrone diventa una specie di “faro”, che emette luce solo davanti a sé e che ruota insieme a lui.

Più la velocità orbitale aumenta e più il cono si stringe. Se ci si avvicina alla velocità della luce il cono diventa strettissimo e sembra proprio un “getto” di luce. Ovviamente, tutto ciò capita quando l’energia del campo magnetico è superiore all’energia termica che farebbe muovere gli elettroni in modo del tutto incontrollato. Questo tipo di radiazione, estremamente collimata (ossia circoscritta entro un cono molto stretto) è proprio la radiazione di sincrotrone (Fig. 3).

fig.3
Figura 3

Essa si nota benissimo negli acceleratori di particelle che seguono le loro traiettorie proprio per effetto di campi magnetici. Tuttavia, molto più interessanti sono gli strumenti “naturali”. Campi magnetici capaci di dar luogo a radiazioni di sincrotrone si originano nei resti di supernove, nelle pulsar, nei buchi neri galattici, ecc.

Tuttavia, parlando di fenomeni celesti, dobbiamo tener conto che gli elettroni non sono vincolati a seguire un’orbita fissa nello spazio. Sappiamo bene che le linee di forza del campo magnetico escono da un polo e finiscono nell’altro. L’elettrone, perciò, esegue una danza più complicata, muovendosi ad elica attorno alla linea di campo. E mentre si “avvita” aumenta anche la velocità, raggiungendo i valori necessari a creare un getto di radiazione di sincrotrone.

Capita ciò che è illustrato nella Fig. 4. Come si vede chiaramente il getto di radiazione tende a lanciarsi verso le zone polari… Oltretutto, nella zona equatoriale, la trasmissione della luce è anche bloccata dalla materia che si sistema secondo un disco di accrescimento anche piuttosto spesso. Non è difficile, quindi, immaginare questi getti relativistici (radiazioni molto collimate causate da elettroni che girano a velocità prossime a quelle della luce). Accomunare questi fari luminosi con i getti dei buchi neri o delle stelle di neutroni che ingoiano materia dalle compagne non è certo sbagliato! Le radiazioni trascinano con loro anche particelle ed ecco quelle fantastiche fontane che sembrano uscire dai poli magnetici.

fig.4
Figura 4

Vi è, però, uno scopo particolare che mi ha stimolato a parlare così diffusamente della radiazione di sincrotrone. Anche il nostro Sole, un giorno, potrebbe essere capace di produrla. In un momento molto particolare, di brevissima durata (e quindi difficilmente osservabile) molte sue sorelle devono avere vissuto quella fase così critica, ma mai siamo riusciti a vederla. Sto parlando dell’inizio dell’espulsione della nebulosa planetaria. Un momento mai osservato direttamente. Di solito si vede la supergigante che sta perdendo i primi pezzi oppure la nana bianca con la sua corona bellissima di gas che la circonda. Vi deve essere però un momento critico, il vero e proprio inizio del getto che si trasformerà velocemente in nebulosa planetaria. Un getto paragonabile a quello della radiazione di sincrotrone? Sembra proprio di sì. E avrebbero una spiegazione meno difficile le nebulose a “farfalla” che si scoprono sempre più spesso.

Il prossimo articolo parlerà proprio di questa scoperta…

Voglio fare presente che la trattazione di questo fenomeno così importante sia per lo studio degli astri sia per ciò che capita negli acceleratori di particelle è stata estremamente semplificata. Non chiedetemi di andare nei dettagli. Le formule che ci stanno dietro sono molto “pesanti” e ci porterebbe ad accontentare solo pochissimi lettori. Andiamo con calma. Oltretutto ci siamo anche avvicinati al problema delle righe spettrali.

Mi basti dire una frase molto imbarazzante: “Gli elettroni, in fondo, accelerano anche all’interno dell’atomo, dato che orbitano attorno al nucleo. Perché, allora, non emettono radiazioni?” E qui ricadiamo nella MQ

 

 

13 commenti

  1. Andrea I.

    Curioso.....Enzo, il livello energetico dei fotoni emessi cambia se il cono di emissione si restringe/allarga?

  2. caro Andrea,

    l'energia aumenta sicuramente, non per niente si vedono nei gamma...

     

  3. Andrea,

    volevo aggiungere che negli acceleratori danno parecchio fastidio e appunto per eliminarli vngono predisposte vie d'uscita tangenti all'anello principale...

     

  4. Andrea I.

    Grazie per le precisazioni Enzo! Stavo divertendomi a ragionare sul perché le onde elettromagnetiche si comportassero a quel modo....provo a spararla! effetto relativistico causato dalla massa dell'elettrone?! :mrgreen:

  5. Supermagoalex

    Bentornato Enzo  :-D

    Quando l'elettrone emette questa radiazione, perde energia e si avvicina alla linea oppure no?
     

  6. direi che più che avvicinarsi, potrebbe essere scagliato nello spazio anche lui o anche tornare indietro (ci sono dei casi di oscillazione) o finire nei poli. Penso (ma non ne sono sicurissimo) che molto dipenda dal tipo di campo magnetico e dalla sua intensità. Normalmente quello che importa è il fascio emesso ... Se scopro qualcosa in più te lo dico :wink:

     

  7. Andrea,

    gli elettroni saltano e mandano pacchetti e ... MQ... insomma, attendiamo Red...

     

  8. SANDRO

    Caro Enzo, posso approfittare di te per un approfondimento?
    Quando gli elettroni (o altre particelle cariche) spiraleggioano intorno alle linee di forza del campo magnetico, essendo essi stessi delle cariche, generano appunto un campo magnetico che dovrebbe sovrapporsi all'altro di fondo. Se è così, come interagiscono fra loro i campi?
    Grazie
     
     

  9. caro sandro,

    le interazioni tra campo magnetico del campo e quello indotto dall'elettrone in movimento vengono stabilite, a seconda dell'angolo con cui si muove, dalla forza di Lorentz. Non sono calcoli banali. In prima approssimazione potremmo dire che la sua influyenza è minima nel contesto in cui si lavora.

     

  10. beppe

    Ciao Enzo, una domanda banale banale, in una bobina di un trasformatore gli elettroni a che velocità girano? credo relativamente bassa perché ci sarebbe radiazione di sincrotrone, comunque penso ci sia emissione di radiazione dovuta alla frequenza della corrente alternata più naturalmente alla radiazione termica...

  11. alexander

    articolo molto bello e anche molto impegnativo.
    In effetti anche su questo argomento non sono preparato.
    Prima di tutto però bisognerebbe far luce sul finale sibillino: "Mi basti dire una frase molto imbarazzante: “Gli elettroni, in fondo, accelerano anche all’interno dell’atomo, dato che orbitano attorno al nucleo. Perché, allora, non emettono radiazioni?” E qui ricadiamo nella MQ…"
    Andiamo a cadere sul fatto che non viene emessa a causa della quantizzazione dell'energia immagino, in sostanza  l'energia emessa sarebbe minore al quanto di plank e quindi non viene emessa no?
    Poi l'altra cosa che non ho capito:  "Tuttavia, se la velocità aumenta in modo sensibile, l’emissione non avviene più in tutte le direzioni, ma secondo un cono che punta verso la direzione del moto"
    Per caso c'entra il cono di luce e l'angolo dello stesso che diminuisce all'incremento della velocità spiegato mille volte in astronomia.com e che io continuo a non capire?
    Infine due considerazioni: anche la nostra aurora boreale o australe è alla fine generata da elettroni (o altre particelle ionizzate) che viaggiano lungo le linee di campo magnetico.
    Di conseguenza, visto che vanno a "bassa" velocità dovrebbero produrre una radiazione a ciambella o al massimo con un cono con un angolo veramente amplissimo no?
    Per ultimo invece non ho assolutamente capito perchè gli elettrono orbitano intorno alle linee di forza del campo magnetico, mi sarei aspettato ci viaggiassero dentro come un treno in un binario... 

  12. beppe,

    assolutamente sì... vedi anche dopo.

    alexander,

    1) sul finale sibillino ho poco da aggiungere. Ne parlerà Red discutendo di atomo e di orbitali elettronini e... MQ. Spiegarlo in poche parole è impossibile e creerebbe grande confusione. Ovviamente c'entra Planck...

    2) no, non c'entra il cono di luce (basta pensare che si può benissimo muovere ad angoli maggiori, basta rallentaree...). La determinazione della direzione e della spirale è comandata dalla forza di Lorentz, ma lo stringersi del cono non è trattazione semplice e neemmeno completamente risolta. E' un risultato che per adesso dobbiamo prendere come "atto di fede". Fidati... :roll: 

    Attenzione, però: all'aumentare della velocità di un corpo, l'angolo  continua ad AUMENTARE fino a toccare il cono di luce (quindi è all'interno del cono). Il cono rappresenta la massima velocità ottenibile, ossia i bordi del cono.

    3) Sì, anche il nostro campo magnetico fa girare gli elettroni, ma la velcoità è modesta e la radiazione è a ciambella (non produciamo getti relativistici). Le aurore si hanno quando gli elettroni piacchiano contro particelle in prossimità dei poli.

    4) il moto della particella è comandato dalla forza di Lorentz e ha bisogno di prodotti vettoriali e di regole della mano destra e cose simili. Non siamo ancora a quel punto... meglio aspettare. Comunquee, prima o poi ci arriviamo!

     

  13. alexander

    E' vero questo cono di luce lo sbaglio sempre, alla massima velocita' sarebbe 45 gradi con l'asse del tempo e l'asse dello spazio...

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