84541 - X-RAY AND SYNCHROTRON RADIATION PHYSICS

Scheda insegnamento

Anno Accademico 2017/2018

Conoscenze e abilità da conseguire

At the end of the course, students learn basic notions regarding the physical mechanisms of the interaction between x-rays and condensed matter in both a macroscopic and microscopic approach. They also are acquainted with the most important properties of synchrotron radiation sources, with emphasis on the underlying physics. Students also learn the basic aspects of the main modern experimental methods used for a fine characterization of advanced materials and nanostructures, namely x-ray diffraction, x-ray absorption spectroscopy and photoemission.

Programma/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.

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 quindi 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, dicroismo magnetico circolare.

 

Modulo 1: Fotoemissione (Dott. Francesco Borgatti)

(A) Fenomenologia dell’effetto fotoelettrico. Requisiti sperimentali per la spettroscopia di fotoemissione. Bilancio energetico del processo; effetti di rilassamento e correlazione; fotoemissione da un sistema a molti elettroni. (B) Sezione d’urto del processo di fotoemissione; dipendenza della sezione d’urto dall’energia e dalla polarizzazione della radiazione incidente. (C) Panoramica generale delle strutture spettrali primarie e secondarie presenti in uno spettro. Fotoemissione dai livelli di core; sensibilità allo stato chimico; splitting di spin-orbita; forma dei picchi. Processo di emissione di elettroni Auger. Comparazione tra emissione di fotoelettroni ed elettroni Auger. Fotoemissione dagli stati di valenza; dipendenza degli spettri degli stati di valenza dall’energia e dalla polarizzazione della radiazione incidente. (D) Strutture secondarie negli spettri di fotoemissione; splitting di multipletto; processi di shake-up e shake-down. (E) Fotoemissione da sistemi solidi; modello a tre step (F) Analisi quantitativa; descrizione dei contributi all’intensità dei picchi di fotoemissione; modelli per un materiale semi-infinito e per un film sottile. (G) Fotoemissione con raggi X duri; prevalenza della sensibilità alla struttura elettronica del volume rispetto a quella della superficie; caratteristiche della sezione d’urto del processo.

Testi/Bibliografia

[1] F. Boscherini, lezione Introduzione ai raggi X, reperibile su campus.unibo.it.

[2] J. Als – Nielsen and D. McMorrow, Introduction to Modern X-ray Physics, Wiley, New York, 2001.

[3] D. Attwood, Soft X-rays and extreme ultraviolet radiation, Cambridge University Press (1999).

[4] F. Boscherini, lezione Sorgenti di Luce di Sincrotrone, reperibile su campus.unibo.it.

[5] A. Balerna and S. Mobilio, Introduction to Synchrotron Radiation, in “Synchrotron Radiation: Basics, Methods and Applications”, a cura di S. Mobilio, F. Boscherini e C. Meneghini, Springer (2015).

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

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

[8] F. Boscherini, dispense Interazione radiazione – atomi idrogenoidi, reperibile su campus.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 www.synchrotron-radiation.it (Attività SILS/ scuola di Luce / Grado 2013).

[11] P. Fornasini, Introduction to X-ray absorption spectroscopy, in “Synchrotron Radiation: Basics, Methods and Applications”, a cura di S. Mobilio, F. Boscherini e C. Meneghini, Springer (2015).

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

[13] C. Meneghini, lezione The XANES Region, reperibile sul sito reperibile sul sito www.synchrotron-radiation.it (Attività SILS/ scuola di Luce / Grado 2013).

[14] F. Boscherini, lezione Dicroismo lineare in XAS, reperibile su campus.unibo.it.

[15] F. Boscherini, lezione XAFS esempi, reperibile su campus.unibo.it

[16] F. Boscherini, lezioni su Spettroscopia di fotoemissione, reperibile su campus.unibo.it.

[17] C. Mariani e G. Stefani, Photoemission Spectroscopy: fundamental aspects in “Synchrotron Radiation: Basics, Methods and Applications”, a cura di S. Mobilio, F. Boscherini e C. Meneghini, Springer (2015).

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

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

[22] F. Boscherini, Dipense su Pair distribution function analysis of X-ray scattering and small angle x-ray scattering, reperibile su campus.unibo.it.

[23] S.J.L. Billinge e E.S. Bozin, Pair distribution function technique: principles and methods, in Diffraction at the nanoscale, a cura di A. Guagliardi & N. Masciocchi, Insubria University Press.

[24] A. Guinier, X-ray diffraction in crystals, imperfect crystals, and amorphous bodies, Dover, New York, 1994.

Modulo 1

[1] S. Hüfner, Photoelectron Spectroscopy – Principles and Applications, 3rd ed. (Berlin, Springer, 2003)

[2] C. Mariani e G. Stefani, Photoemission Spectroscopy: fundamental aspects in “Synchrotron Radiation: Basics, Methods and Applications”, a cura di S. Mobilio, F. Boscherini e C. Meneghini, Springer (2015)

Metodi didattici

Lezioni frontali alla lavagna e con presentazioni tramite PC e videoproiettore.

Modalità di verifica dell'apprendimento

Esame orale, consistente in due parti. Nella prima parte lo studente illustrerà a scelta uno dei metodi sperimentali descritti a lezione, affrontando i fondamenti fisici, gli aspetti sperimentali, le caratteristiche e qualche esempio di applicazione. La seconda parte verterà sugli aspetti generali del programma: proprietà dei raggi X, sorgenti di luce di sincrotrone, interazione raggi X - materia.

Strumenti a supporto della didattica

Presentazioni powerpoint, copia delle quali è disponibile per gli studenti iscritti sul sito campus.unibo.it

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Federico Boscherini

Consulta il sito web di Francesco Borgatti