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Raggi X e ottica diffrattiva

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Anno accademico 2009/2010

Codice dell'attività didattica
S8182
Docente
Prof. Raffaello Garfagnini (Titolare del corso)
Corso di studi
c211 laurea spec. in fisica delle tecnologie avanzate
Anno
1° anno
Periodo didattico
Primo periodo didattico
Tipologia
A=Di base
Crediti/Valenza
6
SSD dell'attività didattica
FIS/01 - fisica sperimentale
Oggetto:

Sommario insegnamento

Oggetto:

Programma

 Sommario degli argomenti

Capitolo I. I raggi X
1.Notizie storiche                                                                            
1.1La scoperta dei raggi X                                                          
1.2I raggi catodici                        
1.3Tubo a raggi X                        
1.4La radiazione ultravioletta                    
1.5Röngten scienziato                        
2.Prime utilizzazioni dei raggi X                    
3.La radiazione elettromagnetica                    
3.1 Richiamo di alcune proprieta’ delle onde elettromagnetiche      
4.Lo spettro continuo                        
5.Lo spettro caratteristico                              
6.Assorbimento dei raggi X                             
7.Filtri                                      
8.Produzione dei raggi X nei tubi                          
9.Rivelazione dei raggi X                              
10.Problemi di sicurezza                              

Capitolo II. Il fotone
1.Introduzione                                      
2.Il fotone come particella                              
3.Relazione tra energia e quantita’ di moto del fotone                  
3.1  Onda luminosa piana                              
3.2Trasformazione delle componenti della quantita’                  
 di moto e dell’energia                              
      3.3   Espressione finale dell’impulso del fotone                      
4.Massa a riposo del foto                              
5.Comportamento corpuscolare e comportamento ondulatorio
       del fotone                                      
            5.1  Riflessione di fotoni da uno schermo in quiete                  
5.1.1Interpretazione in ambito ondulatorio                      
5.1.2Interpretazione in ambito corpuscolare                  
      5.2   Riflessione di fotoni da uno schermo in movimento             
5.2.1     Interpretazione in ambito corpuscolare                  
5.2.2     Interpretazione in ambito ondulatorio                      
6.I raggi X come quanti direzionali                          
6.1   Il cambiamento di lunghezza d’onda dei raggi X scatterai             
            6.2   Teoria dei raggi X scatterai da elettroni liberi                  
7.La radiazione di frenamento                              
8.Annichilazione della coppia e+e-                          
9.Divisione dei fotoni                                  
10.Esperimenti di diffrazione con due fenditure                      

Capitolo III. Campo statico e campo convettivo generato da una
                     carica in moto uniforme
1.Introduzione
2.Campo generato da una carica in moto uniforme
3.Campo statico e campo convettivo generato da una carica in quiete e in moto uniforme
4.Campo di radiazione traversa generato da un elettrone sottoposto ad accelerazione che lo porta a raggiungere una velocita’ con <1/3.
    
Capitolo IV. Equazioni di Maxwell e potenziali di Lienard-Wiechert
1.Le equazioni di Maxwell
2.Potenziale colombiano
3.Potenziali ritardati
4.I potenziali di Lienard-Weichert
        "monocromatici".

Capitolo V. Radiazione da una carica in moto non uniforme
1.Radiazione da una carica accelerata
2.Radiazione prodotta a bassa velocita’
3.Polarizzazione dello spettro continuo dei raggi X
4.Il caso di a parallelo a v in regime relativistico

Capitolo VI. Distribuzioni della radiazione X
1.Introduzione
2.La teoria classica di Sommerfeld per il calcolo della distribuzione spaziale della intensita’ dei raggi X
3.Confronto dell’irraggiamento in fase di accelerazione e in fase di decelerazione in un tubo a raggi X
4.Distribuzione in frequenza dei raggi X

Capitolo VII. Risultati sperimentali e confronto con le previsioni della
                      teoria classica
1.Introduzione
2.Distribuzioni spettrali sperimentali e loro confronto con le distribuzioni previste dalla teoria di Sommerfeld


Capitolo VIII. La teoria semclassica di Kramers   
1.Introduzione
2.La teoria semiclassica di Kramers

Capitolo IX. Calcolo della distribuzione spettrale della radiazione X
1.Introduzione
2.Calcolo della distribuzione spettrale della radiazione X nel caso di una targhetta sottile
3.Calcolo della distribuzione spettrale della radiazione X nel caso di una targhetta spessa


Capitolo X. Calcolo della distribuzione spettrale della radiazione X
utilizzando l’approssimazione di Born
1. Introduzione
2.Approssimazione di Born



Cone angolare della radiazione di sincrotrone

Capitolo XV. Magneti wiggler e magneti ondulatori
1.Introduzione
2.Magnete ondulatore
2.1Caratteristiche
2.2Notizie storiche sugli ondulatori
2.3Teoria del magnete ondulatore
2.3.1Ondulatore debole
2.3.2Ondulatore forte
2.4Brillanza della radiazione con l’ondulatore
3.Magnete wiggler
3.1Caratteristiche
3.2Notizie storiche sui wiggler
3.3Teoria del magnete wiggler
3.4






Capitolo XVI. Rivelatori di raggi X
1.Introduzione
2.Strumentazione


Capitolo XVII. Scattering dei raggi X
1.Introduzione


Capitolo XVIII. Diffrazione dei raggi X
1.Introduzione
2.Studi sui cristalli
3.Studi sulle biostrutture
4.Studi sulle proteine

Capitolo XVIII. Assorbimento dei raggi X
1. Introduzione
2.Studi in biomedicina
3.La TAC


Capitolo XIX.  La radiazione elettromagnetica e i raggi X. Differenze

1.    Rappresentazione analitica di un'onda elettromagnetica.
2.    Riflessione della radiazione elettromagnetica.
3.    Trasmissione della radiazione elettromagnetica.
4.    Rifrazione della radiazione elettromagnetica.
5.    Assorbimento della radiazione elettromagnetica.

 

 

X-rays and Diffraction Optics

 

The course of 48 hours is divided in two-parts.

The first part, of 35 hours, is dedicated to X-rays physics.

            Röntgen’s discovery of X-rays in 1895 launched a tool essential to the development of modern physics and to the verification of many of the predictions of quantum theory. Incredible is the influence exerted in fields as diverse as chemical physics, nuclear physics, solid state physics, medical physics, astrophysics.The course, conceived for a one semestre-course, would provide the basic arguments to the understanding of the X-ray physics, and provide some general background information useful to participate in the recent growing research activity of this field.

The lectures follow the scheme:

  1. Introduction: historical description.
  2. Elementary notions for technical use: The electromagnetic spectrum.Characteristics of the electromagnetic waves.  Production of X rays. Continuos X-rays. Characteristic X-rays. X-ray absorption. Filters. X-ray tubes. Detection of X-rays. Safety problems.
  3. The photon: the duality: wave and particle. Relation between energy and momentum in special relativity.  Experiments with photons as particle and as wave. Corpuscular and wave mechanical interpretation. Compton scattering. Bremsstrahlung radiation. Pair annihilation. Scattering and diffraction experiments with photons.
  4. Inertial systems. Field of a point charge at rest. Field of a point charge moving with uniform velocity. Radiation from an accelerated or decelerated charged particle. Transverse radiation field due to the acceleration of an electron at low velocity.
  5. Maxwell equations. Coulomb potential. Retarded potentials. Lienard-Wiechert potentials.
  6. Radiation from an accelerated charge. Radiation field at low velocity. Poynting vector. Larmor law. Radiation power in terms of electric dipole moment. Radiation field at relativistic velocity. Polarization of continuous X-rays.
  7. Sommerfeld’s classical theory of the spatial distribution of continuous X-rays. Radiation in acceleration and in deceleration regimes. Frequency spectrum of continuous X-rays. Ultraviolet catastrophe.
  8. Radiation experimental spectra and spatial distributions. Experimental measurement of Urley, of Kulenkampff, of Seeman, of Honerjager, of Harworth and Kirkpatrick, of Boersch et al.. Schortcomings of classical theory.
  9. Kramer’s semiclassical theory. The correspondence principle. Spectral distribution of radiation from thin targets. The Thomson-Widdington law. Spectral distribution from thick targets.
  10. Quantum mechanical considerations. Born approximation. Sommerfeld’s quantum mechanical treatment. Polarization of the X-ray spectrum.
  11. Characteristic X-rays: Line emission. Moseley law. Classical oscillator model. Ionization function: classical theory, quantum theory, intensity. Ratio of characteristics to continuous radiation. Nomeclature of X-ray lines.
  12. The synchrotron radiation. Historical notes. Synchroton radiation laboratories in the World. Main characteristics of the Electra  at Trieste and of the Europen Synchrotron Radiation Facility (ESRF) at Grenoble. Characteristics of the synchrotron radiation: time structure, angular distribution, frequency distribution. Relativistic expression of the Larmor law. Schwinger’s treatment of the radiation from high energy accelerated electrons; high frequency radiation by energetic electrons; radiation by an electron in uniform circular motion. Experimental measurements of Corson.
  13. Bending magnets. Wigglers. Undulators. Historical notes. Charatcteristics of the radiation form such insertion devices: radiation brilliance, source size, source divergence, critical energy .
  14. Natural sources of X-ray radiation. Commercial X-ray tubes for small research laboratories.
  15. Interaction of X-rays with matter: photelectric effect, Compton scattering and the Klein-Nishina  cross-section.
  16. Experimental techniques and method. X-rays detectors: emulsion plate, ionization chambers, gas caunters, scitillation detectors, solid state detectors.
  17. Interaction of X-rays with matter:  free and damped oscillator, form and width of lines.
  18. Scattering of X-rays. Classical theory of Thomson and Rayleigh (coherent) scattering. Compton (incoerent) scattering. Raman scattering. Plasmon scattering.
  19. X-rays absorption: experimental techniques and fields of application.

20.  Complex dielectric constant. Refracticve index. Bragg equation. Measurement of refratctive index: the method of critical angle of refraction, of symmetrical reflection, of unsymmetrical reflection, of refraction in a prism.

21.  X-rays diffraction: experimental techniques and fields of application.

 

The second part of the lectures are dedicated to topics in Optics of the visible spectrum. Some arguments are known from the undergraduate school.

  1. Wave motion. One dimensional waves. Harmonic waves. Phase velocity. The superposition principle.The complex representation. Plane waves. The one, two and three dimensional differential wave equation. Plane waves. Spherical waves, Cylindrical waves.
  2. Superposition of waves. Linear response. Addition of waves: the algebraic method, the complex method. Standing waves. Addition of waves of different frequency: beats, group velocity. Anharmonic  periodic waves: Fourier series. Non periodic waves: Fourier integrals. Pulses and waves packets: the cosine wavetrain, frequency bandwidth. Coherence length. The discrete Fourier transform.
  3. Polarization of light: linear, circular, elliptical. Natural light. Polarizers. Malus’s law. Dichroism: the wire-grid polarizer, dichroic crystals, polaroid. Birefringence: calcite, birefringent crystals, birefringent polarizers. Scattering and polarization: polarization by scattering, by reflection. The half-wave plate. The quarter-wave plate. Compensators. Polarization of polychromatic light. Optical activity.
  4. Interference. Conditions for interference. Wavefront-splitting interferometers: Young’s experiment. Interferometers. Waveamplitude-splitting interferometers. The Michelson-Morley interferometer. The Mach-Zehnder interferometer.
  5. Diffraction. The Huygens-Fresnel principle. Several coherent oscillators. Fraunhofer diffraction: single slit diffraction, double slit diffraction, many slits diffraction, circular aperture diffraction. Resolution of imaging systems. Diffraction grating. Fresnel diffraction. Diffraction by a slit. Diffraction by a narrow obstacle
  6. Fourier optics. Optical applications.
  7. Basic of coherence theory.

 

 

 

Testi consigliati e bibliografia

Oggetto:

L.D.Landau,E.M.Lifshitz, The Classical Theory of Fields, 4th ed. (Pergamon, N.Y.) (1985)

W.Heitler, The Quantum Theory of Radiation, (Claredon, Oxford)(1954)

J.D.Jackson, Classical Electrodynamics, (Wiley, N.Y.)(1975)

W.Schwinger et al, Classical Electrodynamics, (Westview Press, Boulder, Colorado)(2002)

H. Wiedemann, Syncrhotron Radiation,(Springer, N.Y.)(2002)

E. Hecht, Optics, 3th ed. (Addison_Wesley)(1998)

L.Mandel, E. Wolf, Optical Coherence and quantum Optics,(Cambridge University Press)(1995)

R. Garfagnini, Appunti alle lezioni del corso di Raggi X e Ottica diffrattiva (Fotocopie,TO)(2006)

con il richiamo bibliografico agli articoli su riviste, specifici degli argomenti esposti.



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Note

Modalita' d'esame:
Prima parte: elaborazione di una tesina di ricerca su un argomento sviluppato durante il corso relativa all'utilizzo dei raggi X in campo biologico, medico, industriale e di ricerca oppure sulle tematiche di ottica diffrattiva nel campo dell'ottica.
Seconda parte: domande sulle tematiche sviluppate
Frequenza fortemente consigliata.
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Ultimo aggiornamento: 15/09/2010 15:26
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