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LASER/ Impulsi di raggi X tirano fuori dal guscio gli elettroni dello Xeno

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Come molti appassionati di scienza ricorderanno, lo Stanford Linear Accelerator (SLAC) è un potente acceleratore lineare di particelle della lunghezza di circa tre chilometri, situato presso la Stanford University in California. Per più di cinquant’anni questo importante strumento di ricerca è stato utilizzato per accelerare elettroni a velocità prossime a quella della luce allo scopo di condurre esperimenti di fisica delle alte energie. Ora che nuovi e più potenti acceleratori di particelle sono entrati in funzione, lo SLAC ha conosciuto una seconda giovinezza mettendo a disposizione le proprie potenzialità per pilotare quello che può definirsi il più potente laser a elettroni liberi attualmente esistente: una sorgente coerente di radiazione elettromagnetica in grado di generare impulsi di raggi X di una brillanza senza precedenti. Questo straordinario laser, denominato LCLS (Linac Coherent Light Source), può, infatti, produrre impulsi di raggi X un miliardo di volte più intensi di quelli generati da qualunque altra sorgente basata sullo stesso principio di funzionamento.

È di questi giorni la notizia che un gruppo di ricercatori, capeggiati da Daniel Rolles del “Center for Free-Electron Laser Science” di Amburgo (Germania), sfruttando un singolo impulso di raggi X prodotto da LCLS, è riuscito nell’eccezionale impresa di strappare ben 36 elettroni da un atomo di Xeno (che di elettroni ne possiede 54), provocando in questo modo uno stato di ionizzazione di questo atomo mai raggiunto fino ad ora. Per apprezzare l’importanza di questo risultato occorre ricordare che, secondo quanto previsto dalla teoria, il numero massimo di elettroni che è possibile rimuovere con raggi X di energia pari a quella utilizzata nell’esperimento, risulta essere decisamente inferiore (circa 24).

Per meglio comprendere cosa accade quando un fascio di fotoni investe un atomo (i raggi X sono, infatti, fotoni di elevata energia), è opportuno ricordare che all’interno degli atomi gli elettroni sono disposti su gusci sferici (shell) che circondano il nucleo centrale. Occorre, inoltre, ricordare che l’energia necessaria per rimuovere gli elettroni dal proprio guscio risulta essere via via crescente per elettroni appartenenti a gusci sempre più interni.

Quando un fotone X generato da LCLS (la cui energia è circa mille volte più elevata di quella di un fotone della luce visibile) colpisce un elettrone dell’atomo di Xeno, gli cede la propria energia consentendo a quest’ultimo di staccarsi dal proprio guscio e, se l’energia è sufficiente, di abbandonare l’atomo. L’aspetto cruciale di questo processo sta nel fatto che l’energia dei fotoni generati da LCLS è, in teoria, sufficiente a rimuovere dall’atomo di Xeno solo agli elettroni dei gusci più esterni (circa 24 in tutto), i rimanenti elettroni dovrebbero essere così strettamente legati all’atomo da non poter essere rimossi.



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COMMENTI
21/11/2012 - 2013 "Anno dell'Atomo"? (Sergio Palazzi)

Nel 2013 ricorre il centenario del libro di J-B Perrin "Les Atomes", che riassumeva i risultati delle sue ricerche sulle ipotesi di Einstein, a confronto con i dati sperimentali da molte altre fonti. L'impostazione è più o meno: se gli atomi esistono, si devono poter contare. Quindi, se troviamo il modo di determinare il numero di Avogadro e se ha lo stesso valore in qualunque modo sia ricavato, allora gli atomi esistono. Con la pubblicazione di quel testo finiva sostanzialmente la polemica con gli antiatomisti, in cui lo stesso Ostwald fece una radicale autocritica davvero rara per una figura delle sue dimensioni. Con Eric Scerri ed altri esperti del sistema periodico avevamo infatti lanciato, tempo fa, l'idea di considerare il 2013 "Anno dell'Atomo". Potremmo vedere se davvero oggi l'atomismo sia riconosciuto realmente, e non solo per il macroscopico business dell'omeopatia, ma anche per cose più banali come il persistere nei corsi di chimica dei riferimenti agli "equivalenti", figli di una stechiometria "antiatomica" contraria a quella che oggi diremmo delle "moli". Il problema è che la didattica "scientifica", a livello liceale ma purtroppo anche negli istituti tecnici e nei corsi di base universitari, tende a presentare le varie ipotesi sulla materia come si presentano (male) le idee dei filosofi, "esiste l'atomo di Thomson, esiste l'atomo di Bohr, Planck dice che...". Lo studente diligente racconta le filastrocche, e che poi esista una realtà oggettiva è secondario...