LA PRESSIONE DI RADIAZIONEGiulio Stancari

INFN Ferrara

“Insegnare la luce,” ITIS Vinci, Carpi (MO), 4 ottobre 2005

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

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

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

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

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)

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

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

Pressione di radiazione,raffreddamento e

intrappolamento di atomi

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.

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)

Processi fondamentaliNell’interazione radiazione-materia, sono 3 i processi fondamentali:

assorbimento

emissione spontanea

emissione stimolata

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

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

Melasse otticheRaffreddamento Doppler in 3 dimensioni

Risultano regioni di spazio estremamente viscose per gli atomi (“melasse ottiche”)

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

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

Nube di rubidio

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: stancari@fe.infn.it