7/17/2019 Esperimento Scienze1997 342 1

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Veduta panoramica

di parte

dell area di ricerca di Padricia-

 

opra, l edificio del sincrotrone ELETTRA con i laborator

no, sopra Trieste, che ospita numerosi centri e istituti. Qui

 

edicati ai diversi esperimenti.

Cristallografia a raggi X

 

er

misurare la distanza interato-

mica di un cristallo

d) occorre

una «luce» con lunghezza d onda

confrontabile con le dimensioni della

struttura atomica. Infatti i fronti d on-

da riflessi da due piani consecutivi (1

e 2) si sommano se la differenza dei

loro cammini (ABC) è un multiplo in-

tero n

della lunghezza d onda. Con

una semplice costruzione geometri-

ca si ottiene sin

1i=n1 .12d.

Poiché il seno non può avere valore

assoluto maggiore dell unità, la mini-

ma distanza investigabile è

ni.12.

Per investigare un dettaglio struttura-

le occorre, grossolanamente parlan-

do, una lunghezza d onda più piccola

della sua grandezza.

i I

2

raggi X sono impiegati in campo

medico, scientifico e tecnologico

da oltre un secolo, eppure di essi

si sa ancora troppo poco. Questo è vero

non solo per il pubblico in generale, ma

anche per gli specialisti: molti r adiologi

ignorano l esistenza di sorgenti di raggi

X mille miliardi di volte più intense de-

gli apparecchi che essi utilizzano. E pa-

recchi ricercatori non sanno che la col-

limazione e la coerenza di tali sorgenti

stanno divenendo praticamente pari a

quelle dei laser.

Non meglio conosciuta è la vasta

gamma di applicazioni dei raggi X, che

si estende ben oltre la radiologia: essi

non solo ci consentono d indagare la

struttura microscopica della materia con-

densata e di comprendere i meccanismi

che ne determinano le proprietà, ma ci

forniscono i mezzi per sfruttare nel mi-

glior modo possibile queste proprietà ai

fini delle applicazioni pratiche alla base

della tecnologia industriale.

La mancanza d informazione è in

parte dovuta alla rapidissima evoluzio-

ne tecnica: dalla fine degli anni sessan-

ta la brillanza delle sorgenti di raggi

X

 

un indicatore della qualità della luce e-

messa che definiremo meglio più avan-

ti - è aumentata di ben 13 ordini di

grandezza, cioè in media di un fattore

10 ogni due anni e quattro mesi. Di con-

seguenza, l analisi di un campione che

avrebbe richiesto alcuni giorni negli an-

ni sessanta-settanta avviene ora in se-

condi o frazioni di secondo.

L Italia svolge un ruolo di protagoni-

sta in questa affascinante avventura:

partecipa all European Synchrotron Ra-

diation Facility (ESRF) di Grenoble e

ha finanziato e costruito la sorgente

ELETTRA a Trieste nell ambito di un

progetto diretto da Carlo Rubbia, met-

tendo a disposizione della ricerca inter-

nazionale uno dei due laboratori più

avanzati del mondo di raggi X «molli»

(raggi X di lunghezza d onda compresa

grosso modo tra 0,5 e 100 nanometri).

LE PROPRIETÀ DEI RAGGI X

L importanza dei raggi X risiede nella

loro caratteristica lunghezza d onda, che

è confrontabile con la dimensione della

struttura microscopica degli oggetti che

ci circondano. Questo fa sì che i raggi X

si comportino come un microscopio ca-

pace di «osservare» strutture delle di-

mensioni di alcuni nanometri, utilissimo

per l analisi della materia su scala atomi-

ca. Sappiamo che per studiare struttu-

re microscopiche occorrono lunghezze

d onda, grossolanamente parlando, non

più grandi delle loro dimensioni. Appli-

chiamo ora questa regola ai piani atomici

di un cristallo; come descrive la finestra

nella pagina a fronte, le distanze fra i sin-

goli piani atomici sono dell ordine di al-

cuni decimi di nanometro: si può quindi

effettuare una misurazione della distanza

interatomica utilizzando i raggi X. La

tecnica corrispondente, detta cristallogra-

fia a raggi X, svolge un ruolo centrale

nella scienza moderna: essa venne per

esempio impiegata nella determinazione

di strutture come quelle del DNA o del-

l insulina (si veda l articolo

Biologia

strutturale degli enzimi

pubblicato sul

numero di gennaio di «Le Scienze»).

Le misure geometriche microscopi-

che non esauriscono il ruolo dei raggi

X nella ricerca. Essi sono anche utilis-

simi per analizzare le proprietà fisico-

-chimiche determinate dai legami fra

gli atomi di una sostanza. Vediamo per

esempio come l assorbimento di onde

elettromagnetiche (di cui anche i raggi

X fanno parte) da parte della materia

sia determinato dall energia della radia-

zione, analizzando un paio di esempi

tratti dalla nostra esperienza quotidia-

na. Quando ci esponiamo al sole, l as-

sorbimento dei suoi raggi può produrre

tanto il ri scaldamento quanto l abbron-

zatura. Il riscaldamento è causato prin-

cipalmente dalla componente infrarossa

dei raggi solari, mentre l abbronzatura

è prodotta da quella ultravioletta. Ciò è

dovuto alla differenza d energia fra i

fotoni infrarossi e quelli ultravioletti.

L energia di un fotone (o quanto di lu-

ce) è hv,

ove

h è

la costante di Planck

(6,6 x 10-

  4

 joule/secondo), e v è la fre-

quenza dell onda. Essendo v =

e /À (do-

ve c

è la velocità della luce, 3 x 108

metri/secondo), all accorciarsi della lun-

ghezza d onda l energia del fotone au-

menta. Poiché le lunghezze d onda ul-

traviolette - meno di 400 nanometri -

sono molto inferiori a quelle infrarosse,

i fotoni ultravioletti hanno molta più

energia di quelli infrarossi. Quando

un onda è assorbita, i fotoni ultraviolet-

ti possono rompere i legami chimici fra

gli atomi nella materia condensata, il

che rende possibile, per esempio, il

processo chimico dell abbronzatura. I

fotoni infrarossi, invece, hanno in ge-

nere energia troppo bassa per rompere i

legami chimici, e si limitano ad aumen-

tarne le vibrazioni, cioè a «riscaldare».

Le lunghezze d onda dei raggi X so-

no ancora più piccole di quelle della lu-

ce ultravioletta, e quindi le energie dei

loro fotoni sono ancora più grandi. Ciò

li rende perfettamente in grado sia di

spezzare sia di «sondare» i legami chi-

mici, rivelandone i più piccoli dettagli.

I raggi X, in breve, posseggono le

lunghezze d onda e le energie fotoniche

più efficaci per l analisi dei legami chi-

mici e delle strutture microscopiche, i

quali a loro volta sono alla base della

stragrande maggioranza delle proprietà

fondamentali dei materiali d interesse

per la scienza e per la tecnologia. Que-

sto spiega tanto l importanza dei raggi X

quanto l enorme sforzo messo in atto

spesso con risultati spettacolari - per m

gliorare le prestazioni delle sorgenti.

LA RELATIVITÀ AL LAVORO

Come dovrebbe essere una sorgent

ideale di raggi X? Il miglior riferiment

è un laser, cioè un emettitore di luc

basato sul fenomeno dell emissione st

molata, le cui caratteristiche rilevan

sono: l alta intensità, la dimensione ri

dotta della superficie emittente, la coll

mazione (cioè la concentrazione dell

luce entro un piccolo angolo solido)

la coerenza. In realtà una normale sor

gente di raggi X usata in radiologi

- cioè un materiale (anodo) che emet

raggi X quando viene bombardato d

elettroni - non possiede alcuna di que

ste proprietà. Per esempio, l emission

avviene in tutte le direzioni e va quind

in gran parte sprecata anziché esser

convogliata sulla zona di utilizzo.

Esistono però sorgenti di raggi X

che, pur non essendo laser, ne riprodu

cono le caratteristiche salienti: sono l

L avventura dei raggi X:

da Róntgen a ELETTRA

A cento anni dalla scoperta, la tecnologia dei raggi X è

in una fase di rapida espansione e ha raggiunto prestazioni che, per

brillanza e coerenza, sono paragonabili a quelle dei laser

di Giorgio Margaritondo, Adolfo Savoia e Albin W rulich

32 

E SCIENZE

n. 342, febbraio 1997

LE SCIENZE n. 342, febbraio 1997 

7/17/2019 Esperimento Scienze1997 342 1

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LINEA DI LUCE

CAVITÀ A

RADIOFREQUENZA

Interno del LINAC, l accelerator

che inietta gli elettroni nell anello

di accumulazione.

  111~

sorgenti di luce di sincrotrone. La luce

di sincrotrone è costituita dalle onde

elettromagnetiche emesse da un fascio

di elettroni che circola a una velocità

prossima a quella della luce in un acce-

leratore di particelle quale, per esempio,

un anello d accumulazione.

Lo schema generale di una sorgente

moderna di luce di sincrotrone è mostra-

to in queste due pagine. Vi è rappresen-

tato un iniettore, che preaccelera elettro-

ni e li invia raggruppati in «pacchetti»

nella ciambella metallica sotto ultravuo-

to (pressione da un decimiliardesimo a

un centomiliardesimo di millesimo di at-

mosfera), entro la quale essi continuano

a circolare per oltre un giorno, grazie a

magneti che ne curvano la traiettoria con

un accelerazione centripeta.

Una particella carica come l elettro-

ne, sottoposta ad accelerazione, emette

onde elettromagnetiche. La conseguen-

te perdita d energia e di velocità degli

elettroni deve dunque essere compensa-

ta per permettere alle particelle di con-

tinuare a circolare nella ciambella: a

ogni giro gli elettroni incontrano infatti

una «cavità a radiofrequenza» che ri-

pristina l energia perduta.

Le onde emesse sono dette luce di

sincrotrone perché furono studiate per

la prima volta, negli anni cinquanta e

sessanta, in acceleratori del tipo sincro-

trone. Nell analizzarne le proprietà, oc-

corre tenere conto di un fatto importan-

te: la velocità degli elettroni è prossima

a quella della luce. Questo fa sì che il

fenomeno d emissione sia sottoposto

alle leggi della relatività e che le sue

caratteristiche non possano essere com-

prese senza farvi riferimento.

La teoria della relatività rende conto

di due fatti: prima di tutto, le lunghezze

d onda della luce di sincrotrone cadono

principalmente nell intervallo spettrale

dei raggi X; in secondo luogo, l emis-

sione non è dispersa in tutte le direzio-

ni, ma concentrata nel piano della ciam-

bella, entro un piccolissimo angolo; il

sincrotrone si rivela quindi un eccellen-

te sorgente di raggi X.

Queste proprietà, e le successive uti-

lizzazioni della luce di sincrotrone, han-

no stimolato un evoluzione tecnica che,

in trent anni, ha prodotto tre generazioni

di sorgenti, arrivando infine alle caratte-

ristiche record di ELETTRA e delle al-

tre sorgenti di terza generazione quali

Berkeley (ALS) e Grenoble (ESRF). Per

INIETTORE LINAC)

LINEA DI

INIEZIONE

ELETTRONI

CIRCOLANTI

ANELLO SOTTO

ULTRAVUOTO

CAMER A

SPERIMENTALE

comprendere come una generazione di

sorgenti superi quella precedente, dob-

biamo esaminare il fenomeno relativisti-

co d emissione della luce di sincrotrone.

Anziché considerare i magneti «deflet-

tenti», baseremo l analisi sui dispositivi

più avanzati che caratterizzano le mac-

chine di terza generazione, i cosiddetti

ondulatori o

wiggler.

Il principio, illu-

strato a pagina 36, è semplice: anziché

accontentarsi dell emissione di un solo

magnete, se ne usano parecchi in serie.

Gli elettroni si muovono su una traiet-

toria a zig-zag emettendo luce a ogni

deflessione: in questo modo la linea di

luce raccoglie e utilizza un emissione

Schema di un laboratorio di

luce di sincrotrone. Le foto-

grafie mostrano alcune par-

ti di ELETTRA: 1

inietto-

re,

2)

linea di luce, 3) came-

ra sperimentale della linea

di fotoemissione nell ultra-

violetto spinto, 4

linea di

microspettroscopia.

LINEA DI LUCE

CAMERA

SPERIMENTALE

molto più intensa di quella di un singo-

lo magnete deflettente.

La lunghezza d onda emessa è intui-

tivamente legata al periodo spaziale

L

della serie di magneti. Qui, però, cadia-

mo in un apparente paradosso: mentre

L

è di alcuni centimetri - la lunghezza

delle onde radio - l emissione è costi-

tuita da raggi X, con lunghezze d onda

di decimi di miliardesimo di metro.

Come si risolve questo paradosso?

Bisogna immaginare d osservare la serie

di magneti non dal punto di vista del la-

boratorio, ma da quello degli elettroni in

moto. Essi la «vedono» muoversi verso

di loro a una velocità vicina a quella del-

la luce, il che causa un apparente dimi-

nuzione di L per il fenomeno relativisti-

co della contrazione di Lorentz.

In prima approssimazione, l entità

della contrazione è data dal fattore

gamma, y = Elm  , dove E è l energia

(relativistica) di moto degli elettroni e

m  

c

  è l energia di Einstein, legata alla

massa a riposo m

 

dell elettrone. Pren-

dendo come esempio ELETTRA, che

può funzionare con un energia di 1,5-

-2,0 GeV (1 GeV o gigaelettronvolt è

pari a circa 1,6 decimiliardesimi di

joule), il fattore gamma è 3000-4000, e

il periodo Lly «visto» dagli elettroni è

di alcune decine di micrometri.

Sottoposti all azione della serie d

magneti, ciascuno degli elettroni oscilla

ed emette luce di sincrotrone. La lun

ghezza d onda, dal punto di vista degl

elettroni, è pari al periodo che essi «ve-

dono», cioè Lly. Un altro fenomeno re

lativistico, tipico delle sorgenti d ond

in movimento e noto come effetto Dop

pler, riduce per l osservatore del labo

ratorio la lunghezza d onda della luc

di un ulteriore quantità - circa 2y - lun

go la direzione di moto della sorgente

Quindi, la lunghezza d onda della luc

di sincrotrone è pari al periodo della se

rie di magneti, contratto a causa dell a

zione combinata dei due fattori relativi

stici,

che danno globalmente un fattor

di circa (1/y)(1/2y) = 112y  

. Nel caso d

ELETTRA, tale fattore varia da 18 a 3

milioni: ecco come, sfruttando la relati

vità, i l periodo macroscopico

L

può es

sere convertito nelle lunghezze d ond

microscopiche dei raggi X.

La relatività spiega anche la collima

zione angolare della luce di sincrotro

ne. Immaginiamo un elettrone che e

mette luce di sincrotrone sotto l azion

di una serie di magneti. A causa dell al

ta velocità degli elettroni, dal punto d

vista del laboratorio le onde emesse ap

paiono «proiettate in avanti», cioè l e

missione tende a concentrarsi intorn

alla direzione del moto. Questo è un fe

nomeno comune, rilevabile per esem

pio per il clacson di un auto in moto

tecnicamente parlando, si tratta di u

altro aspetto dell effetto Doppler.

A causa della relatività, la proiezion

in avanti è però molto più accentuata pe

la luce di sincrotrone che per le onde so

nore del clacson, e l emissione è quas

tutta concentrata entro un angolo 1/

(espresso in radianti) rispetto alla dire

zione di moto dell elettrone. Sempre n

caso di ELETTRA, quest angolo corr

sponde a 0,014-0,019 gradi: in pratica

ogni singolo elettrone si comporta com

una «torcia elettrica» così fortement

collimata da essere simile a un laser.

Questo comportamento ha una seri

di conseguenze interessanti che posson

essere comprese osservando lo schem

di queste pagine, in cui le linee di luc

sono predisposte per raccogliere l emi

sione degli elettroni e convogliarla vers

le camere sperimentali di utilizzazione

Le linee di luce sono posizionate in mo

do da raccogliere la luce emessa dal sin

golo elettrone ogni volta che esso pass

per il magnete deflettente che ne caus

l accelerazione. Nel caso di un singol

magnete, la linea «vedrà» un rapido im

pulso di luce per ogni giro dell elettron

intorno all anello. La rapidità degli im

pulsi ha una conseguenza importante:

lunghezze d onda emesse devono esse

disperse su un ampia banda spettrale.

Una legge generale dei fenomeni f

34

 

E SCIENZE n.

342, febbraio 1997

 

LE SCIENZE n. 342, febbraio 1997 

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GaP 110) P 2p

60

 

1

 

2

ENERGIA DEGLI ELETTRONI EMESSI eV)

Spettri di fotoemissione, cioè curve di distribuzione in energia

degli elettroni emessi per effetto fotoelettrico da un campione

del semiconduttore fosfuro di gallio. I picchi sono le «impronte

digitali» degli atomi di fosforo, tanto di quelli della superficie

(S) del campione quanto di quelli situati in profondità (B).

I

due spettri (separati dalla linea tratt eggiata) sono stati ottenuti

da Paolo Perfetti, Kevin Prince, Claudio Quaresima e collabo-

ratori bombardando il campione con fotoni di raggi X di due

diverse energie. Si noti che variando l energia del fotone si può

63

 

36

 

34

 

32

 

30

 

28

 

ENERGIA DI LEGAME eV)

modificare l importanza relativa dei contributi S

e B.

Qui so

pra, analisi di una reazione chimica in tempo reale: le curve d

distribuzione in energia dei fotoelettroni (analoghe a quelle de

la figura a fianco)

rivelano l'evoluzione

nel tempo dello stat

chimico del sistema studiato, in questo caso una superficie d

rodio ricoperta di monossido di carbonio. L evoluzione ne

tempo riflette il progressivo riscaldamento del campione.

I

dat

in corso di pubblicazione, sono stati ottenuti da Giovanni Co

melli, Giorgio Paolucci, Renzo Rosei e collaboratori.

5000

4000

3000

2000

1000

Come funziona

un ondul tore

Un elettrone viaggia ver-

so un ondulatore a una

velocità v prossima a

quella della luce: a causa

della relatività, esso «ve-

de» il periodo dell on-

dulatore accorciarsi di un

fattore X.

L ondulatore obbliga l elettrone a muoversi sinusoidal-

mente, emettendo luce di sincrotrone con lunghezza

d onda pari al suo periodo (accorciato)

Lly. A causa

del moto dell elettrone (effetto Doppler), dal punto di

vista del laboratorio la lunghezza d onda appare ulte-

riormente accorciata di un fattore 2y.

L/2y2

L -0 Lly

  irt

e

v c

sici, il cui caso più noto è il

principio di indeterminazio-

ne di Heisenberg, pone in

relazione coppie di variabili,

dette coniugate in quanto

non possono essere determi-

nate entrambe simultanea-

mente con precisione picco-

la a piacere. La lunghezza

At dell impulso di luce e

la larghezza AX della banda

di lunghezze d onda emesse

sono appunto variabili co-

niugate, e un impulso bre-

vissimo corrisponde a una

banda di lunghezze d onda

molto ampia.

Questa banda estesa tro-

va un importante applica-

zione pratica nel caso del-

la luce di sincrotrone. Ogni

specifica lunghezza d onda

necessaria a una determinata

utilizzazione può essere ot-

tenuta selezionandola (me-

diante speciali dispositivi di

filtraggio, detti monocroma-

tori) dall ampia banda emes-

sa da un magnete defletten-

te. Questa tecnica ha fornito luce di sin-

crotrone per la maggior parte delle li-

nee di luce delle sorgenti di prima e se-

conda generazione. Nelle sorgenti di

terza generazione si utilizzano invece,

principalmente, i dispositivi tipo ondu-

latore (già citati per quanto concerne il

rapporto fra periodo e lunghezza d on-

da) e wiggler, che sono costituiti da se-

rie periodiche di magneti che costrin-

gono l elettrone a seguire una traietto-

ria a zig-zag.

Nel caso di un wiggler, lo zig-zag è

piuttosto accentuato, e ciascuno degli

elettroni-torcia elettrica fornisce alla li-

nea corrispondente una serie di brevi

impulsi di luce a ogni passaggio. Il van-

taggio rispetto a un singolo magnete de-

flettente è che la linea di luce riceve di-

versi impulsi di luce a ciascun passaggio

dell elettrone, anziché uno solo.

Negli ondulatori, il campo magneti-

co, debole rispetto a quello di un wig-

gler, può solo produrre piccolissime

oscillazioni a zig-zag. La deflessione è

così piccola che l elettrone-torcia elet-

trica illumina la linea di luce senza in-

terruzioni: non si ha più una serie di

brevi impulsi, ma un solo lungo impul-

so. Scompare quindi l emissione a lar-

ga banda di lunghezze d onda, e tutta la

luce è concentrata intorno alla lunghez-

za d onda X Pr, (L/2y2).

Questa concentrazione, combinata con

l alto numero di elettroni circolanti nel-

l anello, produce intensità record per

quanto concerne l emissione di raggi X.

Le caratteristiche d alto flusso e di

collimazione angolare della luce di sin-

crotrone possono essere sintetizzate uti-

lizzando il concetto di brillanza, una

grandezza che è proporzionale al rap-

porto tra il flusso luminoso e il prodot-

to tra la superficie emittente della sor-

gente e l angolo solido entro il quale ha

luogo l emissione. Se confrontiamo la

brillanza di una lampadina con quella

di un laser, ci accorgiamo subito che la

lampadina può in taluni casi avere un

ONDULATORI

10,,

1015

DI ELETTRA

10,2

10

ANODO

ROTANTE

 

106

 

1940

 

980

900

L UCE DI

SINCROTRONE

Aumento di brillanza delle sorgenti di

raggi X a partire dall inizio del secolo

fino all introduzione delle sorgenti di

terza generazione come ELETTRA.

più alto valore di flusso, ma

il laser, avendo valori di su-

perficie emittente e di ango-

lo solido molto più piccoli,

produce una brillanza com-

plessivamente più elevata.

La brillanza della luce di

sincrotrone è determinata sia

dall alto flusso sia dalle ca-

ratteristiche geometriche (co-

me abbiamo detto, l emissio-

ne è collimata entro un ango-

lo l/y). Ma questo non è suf-

ficiente a garantire un elevata

brillanza: le leggere differen-

ze nella traiettoria degli elet-

troni nell anello d accumula-

zione aumentano in pratica la

dimensione della superficie

emittente

S.

Se le differenze

di traiettoria sono eccessive,

S è grande e la brillanza pic-

cola. Inoltre, le differenze di

traiettoria portano gli elettro-

ni a deviare angolarmente

l uno rispetto all altro, e ciò

aumenta la divergenza an-

golare dell emissione oltre

il valore intrinseco l/y, fa-

cendo diminuire di nuovo la brillanza.

Nello sviluppare ELETTRA e le al-

tre macchine di terza generazione è sta-

to fatto uno sforzo enorme per mini-

mizzare queste deviazioni di carattere

geometrico, riuscendo a controllare il

moto degli elettroni con estrema pre-

cisione. Gli elettroni circolano nella

ciambella di ELETTRA, che è lunga

oltre 259 metri, senza deflettere l uno

rispetto all altro di più di qualche mil-

lesimo di millimetro. Questa spettaco-

lare precisione e l uso di ondulatori

hanno prodotto un grandissimo aumen-

to di brillanza, come mostra il grafico a

fianco. Si osservi che la scala verticale

di questa figura è logaritmica: l aumen-

to di brillanza negli ultimi dieci anni è

almeno di quattro ordini di grandezza.

In tal modo, le sorgenti di luce di sin-

crotrone stanno avvicinandosi a quelle

di tipo laser.

Ciò è vero non solo per la brillanza,

ma anche per la coerenza, la proprietà

di due raggi luminosi di avere un rap-

porto fra le fasi ben definito e fissato e

responsabile di fenomeni d interferenza

o diffrazione quali gli ologrammi.

Possiamo estendere questa definizio-

ne a una sorgente d onde elettromagne-

tiche di lunghezza d onda X dicendo

che è «spazialmente coerente» se il pro-

dotto della sua dimensione geometrica

e della sua divergenza angolare è suffi-

cientemente piccolo rispetto a X.

È chiaro che all aumento di brillanza

delle sorgenti di terza generazione, cau-

sato dalla diminuzione della superficie

emittente e della divergenza angolare,

corrisponde anche un aumento di coe-

renza. Ancora una volta, si può consta-

tare che le sorgenti di luce di sincrotro-

ne stanno sempre più assomigliando a

dei laser. Sino a che punto? Questo è

un dato tanto spettacolare quanto poco

conosciuto: la frazione di coerenza di

ELETTRA è dell ordine del 100 per

cento fino a lunghezze d onda (ultra-

violette) di circa 100 nanometri, e ri-

mane alta anche a lunghezze d onda in-

feriori, cioè per i raggi X.

Alto flusso, brillanza, coerenza sono

le caratteristiche tipiche di un laser, ma

- come abbiamo visto - anche della luce

di sincrotrone. In pratica, quindi, sor-

genti paragonabili ai laser a raggi X so-

no già disponibili, dato che le presta-

zioni corrispondenti sono in gran parte

fornite dalle macchine di luce di sincro-

trone di terza generazione.

CENTINAIA DI UTILIZZAZIONI,

MIGLIAIA DI UTILIZZATORI

I raggi X e ultravioletti emessi da

una sorgente di luce di sincrotrone co-

stituiscono l ingrediente principale di

una lunga serie di tecniche sperimentali

e di applicazioni tecnologiche, in una

moltitudine di campi che vanno dalla

medicina alla fisica, dalla chimica alla

microfabbricazione, dalla scienza dei

materiali alle scienze della vita.

Intorno alle varie linee di luce che si

diramano dalla ciambella principale di

un laboratorio di luce di sincrotrone co-

me ELETTRA operano decine e decine

di ricercatori. Ciascuna linea riceve i

raggi X dalla sorgente e li convoglia

verso una particolare camera di utiliz-

zazione; le linee lavorano simultanea-

mente, perché i raggi X e ultravioletti

di ELETTRA sono estremamente pre-

ziosi e non vanno sprecati.

In alcune linee di ELETTRA, si bom-

bardano materiali con raggi X e li si co-

stringe a emettere alcuni dei loro elettro-

ni, che sono direttamente o indirettamen-

te coinvolti nella formazione di legami

chimici. Gli elettroni fuoriusciti «ricor-

dano» ancora le proprietà dei legami, e

possono quindi essere utilizzati per e-

splorarne la struttura grazie alla tecnica

chiamata spettroscopia di fotoemissione.

La figura in alto a sinistra mostra la

distribuzione in energia degli elettroni

emessi da un campione del semicon-

duttore fosfuro di gallio (GaP), bom-

bardato con raggi X di ELETTRA. I

picchi di tale curva sono le «impronte

digitali» del fosforo, uno degli elementi

chimici che costituiscono il materiale, e

consentono sia di provarne la presenza

sia di studiarne le proprietà specifiche

in questo particolare composto. Il grafi-

co mette bene in evidenza la potenza di

ELETTRA: è facile distinguere i diver-

si picchi della curva, che riflettono la

differenza fra gli atomi di fosforo della

parte profonda del composto (B)

quelli della superficie (S). Si distinguo

no quindi le proprietà di atomi differen

ti che distano fra loro non più di alcun

decimi di nanometro.

Prima che ELETTRA entrasse i

funzione, eseguire misure come quest

richiedeva parecchi minuti; ora, basta

no solo pochi secondi (e presto sar

sufficiente una frazione di secondo)

Invece di prendere una «fotografia ch

mica» statica del campione, si pu

prendere una sequenza di istantanee

cioè un «film chimico» che rivela l e

voluzione dinamica del campione. Que

sta tecnica, di cui la figura in alto a de

stra fornisce un esempio, è utilissim

per studiare reazioni chimiche, in part

colare quelle d interesse industriale. A

esempio, i film chimici di ELETTRA

possono chiarire - e quindi migliorar

dal punto di vista dell efficienza -

processi di passivazione, cioè le reazio

ni chimiche che rendono le superfic

degli oggetti resistenti all azione degl

agenti esterni. Ma le analisi effettuat

da ELETTRA si dimostrano utili anch

per controllare processi di catalisi e d

fabbricazione di microcircuiti.

La versione microscopica della spe

troscopia di fotoemissione trasporta i

potere analitico dei raggi X sulla scal

di un decimillesimo di millimetro. L

figura in alto a sinistra, nella pagin

successiva, mostra due esempi di mi

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 E SCIENZE

n 342 febbrai o 1997

 

LE SCIENZE n. 342, febbraio 1997

 

7/17/2019 Esperimento Scienze1997 342 1

http://slidepdf.com/reader/full/esperimento-scienze1997-342-1 4/4

Le

due immagini a sinistra, ottenute da Maya Kiskinova, Marino Marsi e collabo-

ratori, rivelano la distribuzione microscopica dell argento in un campione costi-

tuito da un substrato di silicio ricoperto prima con oro e poi con argento. Le im-

magini mostrano la diversa distribuzione sulla superficie di atomi d argento in

due stati chimici differenti: argento metallico e argento legato chimicamente al si-

licio. A destra,

due micrografie fotoelettroniche di

unreticolo di cellule neuronali

interconnesse, ottenute

da Gelsomina De

Stasio, Yeukuang Hwu e collaboratori

presso il Synchrotron Radiation Research

Center di Hsinchu, Taiwan.

Struttura del fattore di elongazione, alla cui risolu-

zione ha recentemente contribuito ELETTRA con

tecniche di diffrazione a raggi

X La risoluzione dell

struttura contribuisce alla comprensione dei dettagl

molecolari del meccanismo di sintesi proteica. (Da un

lavoro di Rolf Hilgenfeld, Adolfo Savoia, Gordon

Webster e colleghi, in corso di pubblicazione.)

crofotografie chimiche nelle quali il

contrasto deriva non dalle caratteristi-

che geometriche del campione, ma da

quelle chimiche. Le due immagini rive-

lano la distribuzione microscopica del-

l argento in un campione non omoge-

neo contenente, oltre a questo elemen-

to, anche oro e silicio. Le fotografie

rappresentano atomi d argento in due

stati chimici diversi: argento metallico

e argento legato chimicamente al sili-

cio. Si noti l inversione di contrasto:

essa dimostra che la distribuzione del-

l argento è radicalmente differente per i

due stati chimici e costituisce un ottimo

esempio delle analisi chimiche avan-

zate che possono essere effettuate con

questa tecnica a livello microscopico.

La parte destra della stessa figura mo-

stra un applicazione in campo biologico.

Ripresa alla sorgente di luce di sincrotro-

ne di Hsinchu a Taiwan (una macchina

con caratteristiche non distanti da quelle

di ELETTRA) da ricercatori italiani,

svizzeri, americani e cinesi, la microfoto-

grafia mostra le cellule e le interconnes-

sioni di un reticolo di neuroni. Il contra-

sto visivo riflette in gran parte la micro-

composizione chimica del campione. Si

può allora comprendere perché questa

tecnica sia già largamente usata per ana-

lizzare gli elementi tossici prodotti dal-

l inquinamento nei sistemi neuronali.

Altrettanto affascinante è l impiego

dei raggi X di ELETTRA per esplorare

le proprietà strutturali. La figura nella

pagina a fronte illustra schematicamente

una delle strutture cristalline che ELET-

TRA ha recentemente contribuito a ri-

solvere: un sistema macromolecolare, il

fattore di elongazione, nell atto di inte-

ragire con altre molecole. Questo fattore

controlla la biosintesi delle proteine nei

ribosomi ed è importante, per esempio,

per comprendere il meccanismo di fun-

zionamento di svariati antibiotici.

A questo proposito non si può dimen-

ticare il largo uso dell analisi strutturale

con luce di sincrotrone da parte dell in-

dustria farmaceutica. È nota la difficoltà

di sviluppare farmaci in grado di blocca-

re l azione dei virus, da quelli del comu-

ne raffreddore a quelli che causano

l AIDS. Una recente strategia utilizza

nuove sostanze la cui struttura imita in

parte quella del virus, e ne può quindi

neutralizzare le funzioni. Ma per ottene-

re un nuovo farmaco bisogna analizzare

un numero enorme di strutture atomiche

e in questa ricerca la luce di sincrotrone

svolge un ruolo sempre più fondamenta-

le, in quanto è in grado di risolvere strut-

ture di campioni cristallini estremamen-

te piccoli, i soli spesso ottenibili.

Nel settore della produzione indu-

striale i raggi X trovano un campo di

applicazione particolarmente adatto.

Per esempio, i microcircuiti elettronici

integrati, che influenzano così profon-

damente la nostra vita quotidiana, sono

fabbricati con la litografia a raggi ultra-

violetti, una tecnologia che consente di

compattare milioni di dispositivi entro

un millimetro quadrato. Si tratta di una

tecnica di natura fotografica, che im-

piega però i raggi ultravioletti anziché

la luce visibile: la lunghezza d onda

troppo elevata di quest ultima non con-

sentirebbe infatti l estrema miniaturiz-

zazione degli attuali circuiti integrati.

La luce di sincrotrone consente di so-

stituire i raggi ultravioletti con i raggi X,

di lunghezza d onda ancora inferiore.

Oltre alla miniaturizzazione più spinta, i

raggi X offrono un altro importantissi-

mo vantaggio: la loro capacità di pene-

trazione consente di ottenere stampi pic-

colissimi, dai quali si possono ricavare

componenti meccanici su una scala mi-

croscopica. Le figure in basso nella pa-

gina a fronte ne forniscono un esempio:

si tratta degli stampi di una microturbina

e di un microingranaggio, le cui dimen-

sioni non superano 150 micrometri, fab-

bricati dai ricercatori di ELETTRA in

collaborazione con i colleghi di Karl-

sruhe e della società Micromore.

Tornando al campo di applicazione

più tradizionale dei raggi X, la r adiogra-

fia, si deve ricordare che si stanno perfe-

zionando metodi per utilizzare i raggi X

nella diagnosi sistematica delle malattie

coronariche o del cancro del seno.

L INFN, l Università di Trieste ed

ELETTRA stanno collaborando in que-

sto campo, sviluppando una nuova tec-

nica radiografica per la diagnosi preco-

cissima dei tumori della mammella con

una dose ridotta di raggi X (si veda la

finestra

ELETTRA è già al lavoro: la

mammografia con il sincrotrone in «Le

Scienze» n. 339, novembre 1996, p.73).

I numerosi impieghi della luce di sin-

crotrone, che si estendono ben oltre gli

esempi qui riportati, generano una do-

manda di accesso alle sorgenti da parte

di un numero grandissimo di utilizzato-

ri. Una domanda che, purtroppo, rimane

in gran parte insoddisfatta: per esempio,

nel caso di ELETTRA, non si riesce ad

accogliere che il 10-30 per cento delle

proposte di esperimenti. Se questa for-

zosa selezione garantisce l alta qualità

scientifica delle utilizzazioni, costringe

anche a rinunciare a programmi estre-

mamente validi ed è quindi più che giu-

stificato lo sforzo in corso per costruire

nuove linee, in modo da ridurre lo squi-

librio fra richiesta e disponibilità.

UN'AVVENTURA

CHE NON ACCENNA A FINIR '

Le sorgenti di raggi X stanno progre-

dendo così rapidamente che è legittimo

chiedersi se questo progresso sia desti-

nato a esaurirsi. La risposta non può che

essere negativa per due motivi. I nnanzi-

tutto la tecnologia stessa delle sorgenti

di raggi X non ha ancora raggiunto i

suoi limiti naturali e già si intravvede la

possibilità di aumentarne ulteriormente

la brillanza e la coerenza. Un progetto

in tal senso è stato concepito dalla Sviz-

zera, e i suoi principi sono stati ripresi

da Francia, Cina e Giappone. In secon-

do luogo, esiste una nuova direzione di

sviluppo in cui ELETTRA opera atti-

vamente: quella dei laser a elettroni li-

beri, che trasporta nel campo dei laser

la tecnologia degli accele-

ratori propria della luce di

sincrotrone.

I laser a elettroni liberi

(quelli attualmente in uso

operano nell infrarosso, ma

si stanno costruendo i pri-

mi esemplari funzionanti

anche nel visibile e nel-

l ultravioletto) usano co-

me mezzo attivo gli elet-

troni che circolano in un

acceleratore che, intera-

gendo con una serie perio-

dica di magneti, danno o-

rigine a emissione stimo-

lata di radiazione, analo-

gamente a quanto fa il

mezzo ottico attivo di un

laser convenzionale.

Per sostenere l emissio-

ne di radiazione e ottene-

re in uscita una luce inten-

sa e coerente, le onde ven-

gono amplificate in una

cavità ottica costituita da

specchi interamente o par-

zialmente riflettenti. Il se-

rio problema della realiz-

zazione di un laser a elet-

troni liberi a raggi X risiede soprattutto

nella mancanza di tali specchi, dato che

i raggi X non sono riflessi. Si deve

quindi fare a meno della cavità ottica,

aumentando l amplificazione da parte

del mezzo attivo: occorre cioè che il la-

ser funzioni in modo «super radiante».

ELETTRA è attiva in questo cam-

po con il cosiddetto progetto FERMI

 Free-Electron Radiation and Mat-

ching Instrumentation),

che parte dallo

sviluppo di laser a elettroni liberi nel-

l infrarosso, ma prevede nel futuro l e-

stensione sino ai raggi X. Fra le appli-

cazioni più affascinanti dei laser a elet-

troni liberi, citiamo il loro uso in chi-

rurgia ultraprecisa, campo nel quale la

Stampi di microturbina

a sinistra)

e di ingranaggio fabbricati con la luce

di ELET

TRA

da Francesco De Bona, Jiirgen Mohr e colleghi con tecniche di litografia profon-

da a raggi X (LIGA), in collaborazione con il Forschungszentrum di Karlsruhe. I pri-

mi prodotti della tecnica LIGA - microsensori, microconnettori e dispositivi di filtrag-

gio - saranno in futuro integrati sulla stessa scala con componenti microelettronici.

Vanderbilt University, nel Tennessee

si è posta all avanguardia.

La tecnologia della luce di sincrotro

ne e dei raggi X, quindi, sta ancora attra

versando un periodo di espansione

Questo fiorire d attività è un caso prati

camente unico nella storia della scienza

in effetti, la maggior parte dei campi d

ricerca si esaurisce nel giro di pochi de

cenni e solo raramente la sopravvivenz

si estende oltre il secolo. Al contrario

cent anni dopo la loro scoperta, i ragg

X non solo sopravvivono gagliardamen

te, ma si trovano addirittura nel periodo

più rapido della loro espansione, fornen

do per la prima volta prestazioni qual

l altissima brillanza e la coerenza.

GIORGIO MA RGARITONDO è professore ordinario al Politecnico Federale di Losan

na

e responsabile della Divisione esperimenti di ELETTRA. Ha lavorato al CNR, a Frasca

ti, ai Bell Laboratories e al Synchrotron Radiation Center dell Università del Wisconsin.

ADOLFO SAVOIA, vicedirettore della Divisione esperimenti di ELETTRA, è stato

ricercatore presso i laboratori dell INFN di Frascati dove ha lavorato su Adone.

ALBIN WRULICH è direttore della Divisione acceleratori di ELETTRA. Ha lavorat

presso i laboratori DESY di Amburgo, LB L di Berkeley ed ESRF di Grenoble.

MARGARITONDO G. ,

Introduction to Synchrotron Radiation, Oxford, New York

1988.

DE STASIO G., DUNHAM D., TONNER B. P., MERCANTI D., CIOTTI M. T., PERFETTI P.

MARGARITONDO G. , Ap plication of Photoelectron Spectromicroscopy to a Systema

tic Study of Toxic and Natural Elements in Neurons, in «Joumal of Synchrotro

Radiation» 2, 106, 1995.

MARGARITONDO G., Synchrotron Light and Free Elec tron Lasers, in «Journal o

Synchrotron Radiation», 2, 148;1995 e in «Rivista del Nuovo Cimento», 18, 1, 1996.

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E SCIENZE n. 342, febbraio 1997

LE SCIENZE

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