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LA PRESSIONE DI RADIAZIONEGiulio Stancari
INFN Ferrara
“Insegnare la luce,” ITIS Vinci, Carpi (MO), 4 ottobre 2005
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Che cos’è?
Pressione esercitata sulla materia dalla radiazione elettromagnetica emessa o assorbita
I campi elettrici e magnetici dell’onda interagiscono con le carichenella materia
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Quanto vale?
Dalla teoria elettromagnetica, Maxwell (1873) deduce
pressione = densità di energia e. m. = intensità dell’onda / c
Dalla termodinamica, Bartoli (1875) giunge indipendentemente alle stesse conclusioni
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Luce solare sulla Terra, I = 1.4 kW/m2:
L’energia trasferita è evidente
Impulso trasferito rivelabile?
Esempio
p =Ic
=(1.4×103 W/m2)
(3×108 m/s)= 4.7 µPa" 0.5×10−10 atm
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Il radiometro di CrookesConcepito come dimostrazione della pressione di radiazione
Moto dovuto a gradienti di temperatura e pressione e ad effetti di bordo
Effetto della temperatura
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Prime verifiche sperimentaliNel 1901, Nichols e Hull negli USA e Lebedev in Russia confermano la teoria di Maxwell-Bartoli con raffinatissime bilance di torsione
Figure 1:
glomerated through a lens L1, gave a real enlarged (d′ = 10 mm) image Rof diaphragms D inside a glass bulb. In the movement of a double mirrorS1S4 the bundle of rays transversed a similar trajectory and impinged onthe other hand on a winglet located in a glass bulb. The lenses L1 andL2 had everyone a focal distance equal to 20 cm and a size equal to 5 cm;thus a conical bundle of light had an angle of convergence equal to 15o. Allthe gadget with mirrors was firmly connected to a lantern of an arc lamp;this last positioned on slides, through which it was easy for removing froma bulb; the adjusting screws and movement on slides allowed to direct abundle of rays on an explored winglet.It was possible to guard results of observations from influence of those
casual springs in luminosity of light, which are inevitably interlinked to avolt arc, only by increasing the number of observations.To refer a separate series of observations to some medial luminosity of
light, the following gadget served: between a lens L1 (fig. 1) and glass
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La coda delle cometePerché la coda non segue la traiettoria del nucleo?
Keplero ipotizza una pressione della luce solare (corpuscoli)
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Lebedev calcola la forza agente su particelle di polvere
Sole:massa M = 2.0 x 1030 kgluminosità L = 3.8 x 1026 W
corpuscolo:massa mraggio rdensità δ
d = distanza Sole-corpuscolo
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Fg = GM · md2
Attrazione gravitazionale
F =GMm
d2
[1− 3L
16πcGM· 1rδ
]=
GMmd2
[1− (0.57×10−3 g/cm2)
rδ
]Forza risultante
Importante per particelle con r ∼ 1 mm o minore
Fr = p · πr2 =Ic
· πr2 =L
4πd2c· πr2 =
(4/3)rδ(4/3)rδ
· L4πd2c
· πr2 =3L
16πcrδ· md2
Repulsione dovuta alla radiazione
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Pressione di radiazione,raffreddamento e
intrappolamento di atomi
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Perché e comePerché raffreddare e intrappolare gli atomi?
per studiarne con precisione le proprietà
per analizzare le collisioni tra atomi freddi e i legami chimici
per formare i condensati di Bose-Einstein
Come si può fare?La luce laser è intensa e monocromatica. Si può sfruttare la pressione di radiazione.
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Nel mondo microscopico
Nei processi microscopici, la radiazione elettromagnetica si comporta come un gas di quanti (fotoni) di energia hν e impulso hν/c
L’energia di atomi e molecole assume valori discreti (nei gas) o confinati in bande (nella materia condensata)
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Processi fondamentaliNell’interazione radiazione-materia, sono 3 i processi fondamentali:
assorbimento
emissione spontanea
emissione stimolata
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Pressione di radiazione risonanteL’atomo assorbe energia e
impulso
L’impulso viene restituito nell’emissione
L’assorbimento di impulso è unidirezionale, mentre l’emissione è isotropa
In media, vi è una forza risultante parallela alla radiazione
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Raffreddamento DopplerHänsch e Schawlow (atomi), Wineland e Dehmelt (ioni), 1975
Due laser si propagano in direzioni opposte,con frequenza spostata verso il rossorispetto alla riga di assorbimento degli atomi
Ne risulta una forza viscosa che rallenta (“raffredda”) gli atomi
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Melasse otticheRaffreddamento Doppler in 3 dimensioni
Risultano regioni di spazio estremamente viscose per gli atomi (“melasse ottiche”)
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Trappola magneto-ottica (MOT)
Combina melassa ottica (rallentamento) e campo magnetico (confinamento)
E’ una delle trappole più utilizzate per atomi stabili e radioattivi
La nube raggiunge temperature ~mK
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L’esperimento TRAPRADAi Laboratori Nazionali di Legnaro (PD) dell’INFN, abbiamo costruito una trappola tipo MOT per Rb e Fr (radioattivo)
Fr BEAM
MOT
fascio 210Fr+
fascio 18O6+
bersaglio 197Au
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Nube di rubidio
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ConclusioniPressione di radiazione come fenomeno esemplare
ponte tra concetti classici e quantistici (onde e fotoni)
spunti per esercitazioni (le comete)
sviluppo storico non lineare (il radiometro)
introduzione alla ricerca contemporanea (trappole atomiche)Grazie per l ’a!enzione!Per contattarmi: [email protected]