martedì 17 novembre 2015

L'Effetto Compton

Ciao a tutti amanti della fisica!
Arthur Compton
 Oggi proseguiamo con lo sviluppo storico della Fisica Quantistica riprendendo proprio da dove l'avevamo lasciato. Dopo aver analizzato il problema del corpo nero e aver scoperto che la luce può comportarsi sia come onda che come flusso di particelle, abbiamo scoperto che anche delle particelle possono comportarsi come onde, con l'esperimento dei fori di Young. Oggi ci occupiamo di un altro fenomeno che mette in luce il dualismo onda-particella: l'Effetto Compton. Si tratta infatti di un evento - osservato per la prima volta nel 1922 - che non può essere spiegato con la teoria classica dell'elettromagnetismo, ma che è ben giustificato dall'ipotesi di natura corpuscolare della luce.





Lo schema dell'esperimento

 L'obiettivo di Compton era di indagare sulle modalità che regolano la deviazione della luce. In particolare, questi credeva che facendo incidere su una superficie una radiazione composta di fotoni molto energetici sarebbero stati evidenziati effetti di natura quantistica. Ad ogni modo, il tutto risulterà più chiaro una volta che avremo analizzato la struttura dell'esperimento.
Schema dell'esperimento di Compton
 Come si può vedere dal disegno qui sopra, l'intero processo è questo:
  1. Dei raggi X monocromatici *(ovvero aventi tutti la stessa frequenza) vengono prodotti e sparati contro un dispositivo collimatore. Questo ha il solo scopo di fare di tutti questi raggi X un unico fascio rettilineo.
  2. Il fascio collimato viene fatto incidere su un blocco di grafite. Questo minerale, infatti, interagisce molto bene con i raggi X, e in generale è molto utilizzato quando si tratta di "fermare" delle particelle accelerate. In effetti stiamo supponendo che i raggi X siano composti di fotoni, ovvero di particelle che cerchiamo di far interagire con gli atomi della grafite.
  3. A seguito dell'impatto con la grafite, il fascio si scompone in due parti. Una frazione di esso prosegue inalterato per la sua strada: si tratta di tutti quei raggi X che non hanno interagito con il minerale. Un'altra porzione invece viene deviata a seguito dell'urto tra fotoni e atomi del bersaglio.
  4. I due fasci uscenti dal blocco di grafite vengono identificati grazie a un rivelatore. Questo ci consente di conoscere sia la direzione dei due fasci sia - soprattutto - la loro frequenza.
 In linea di principio **(secondo le leggi della fisica classica) ci aspetteremmo che la frequenza di entrambi i fasci sia uguale a quella della radiazione iniziale. Vedremo tra poco che invece - a causa dell'Effetto Compton -  non è così.


L'Effetto Termoionico

 La prima difficoltà che si incontra nel realizzare l'esperimento sta nella produzione di raggi X. Oggi conosciamo diverse tecniche in grado di produrre onde elettromagnetiche di frequenza elevata, ma al tempo di Compton si sfruttava un effetto scoperto una cinquantina d'anni prima: l'emissione termoionica.

 Questo fenomeno si verifica quando un filamento di materiale conduttore percorso da un'intensa corrente viene scaldato a temperature molto elevate (dell'ordine di 1000 gradi Kelvin). In tali condizioni, alcune particelle cariche (elettroni o ioni) si staccano dal filamento e vengono "sparate" in tutte le direzioni.

Oggi i raggi X si producono con questo
 Decidiamo allora di sistemare questo filamento conduttore vicino a una lastra di un qualche materiale metallico. Le particelle emesse per effetto termoionico andranno a impattare su questa superficie, e dissiperanno la loro energia. Quest'ultima verrà convertità in grandissima parte in calore, ma una piccola frazione invece porterà all'emissione di raggi X da parte della lastra.

 Questo è, a grandi linee, il principio di funzionamente del cosiddetto Tubo di Crookes. Oggi questo dispositivo è caduto in disuso ed è stato soppiantato dal Tubo Radiogeno, che produce i raggi X che vi attraversano quando vi sottoponete a una radiografia. Ma torniamo al nostro esperimento...



L'Effetto Compton


 Eravamo rimasti ai due fasci di raggi X che fuoriuscivano dal bersaglio di grafite. Il nostro rivelatore ci consente di misurare la frequenza di queste due radiazioni e, con nostra grande sorpresa, troviamo che i due fasci hanno frequenze diverse. La differenza è davvero minima, al punto che i rivelatori utilizzati in precedenza non erano stati in grado di apprezzarla.

 Tuttavia, per quanto piccola, occorreva dare una spiegazione a questa discrepanza. La teoria classica dell'elettromagnetismo non ne era in grado. In effetti non c'era motivo di pensare che i due fasci avessero due frequenze distinte. Compton si convinse allora che servisse un'altra teoria per spiegare l'accaduto.

 Tra le varie possibilità, la più promettente sembrava quella proposta da Einstein una quindicina d'anni prima: la radiazione elettromagnetica è composta da fotoni, ovvero piccoli pacchetti che trasportano energia e quantità di moto. Ecco cosa ne dedusse Compton:

Effetto Compton
 I fotoni dei raggi X trasportano molta energia (e quantità di moto). Quando il fascio raggiunge la grafite, ai singoli fotoni possono accadere due cose:
  1. O questi non colpiscono nessun atomo del materiale, e proseguono inalterati la loro corsa.
  2. O impattano con gli atomi del materiale, in particolare con gli elettroni. L'urto si comporta esattamente come quello tra due particelle: il fotone incidente cede parte della sua energia all'elettrone, e quando "rimbalza" ***(in gergo tecnico diremmo che "viene assorbito dall'elettrone e poi riemesso", ma la sostanza non cambia) trasporta meno energia di quella che recava inizialmente. 
 I fotoni del primo caso sono quelli che costituiscono il fascio di radiazione che attraversa il blocco di grafite. Quest'ultimo avrà dunque la stessa frequenza della radiazione emessa per effetto termoionico.

 I fotoni del secondo fascio invece sono meno energetici di quelli che compongono il primo. Tuttavia, come abbiamo visto nel secondo articolo dedicato alla fisica quantistica, a fotoni meno energetici corrisponde una radiazione di frequenza inferiore. Ecco allora spiegata la discrepanza nelle frequenze dei due raggi.

Conclusioni

 Dal momento che l'Effetto Compton - come venne chiamato più avanti - può essere spiegato solamente con la teoria quantistica, rappresenta un'importante conferma della validità di quest'ultima. Si riesce quindi a comprendere perfettamente l'importanza storica dell'esperimento di Compton, realizzato in un periodo che vedeva la fisica quantistica affermarsi sempre di più.
 Grazie per aver letto fin qui,

Giulio
 

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