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Titolo: Interazione radiazione - materia

Stavo cercando di capire più a fondo la legge di Bragg ma invece penso che
mi si sono confuse ancora di più le idee. Sospettando che la cosa fosse più
complessa di quello che in genere è scritto sui libri di fisica dei solidi,
(io ho il Kittel) ho trovato sul mio testo di Fisica 2 un paragrafo, che non
avevo mai letto prima, il quale penso sia pertinente con la questione, il
paragrafo è sull'effetto Compton. Qui è riportato un certo calcolo, in cui
si fa uso di MQ e MR, relativo all'urto fotone - elettrone_fermo con il
quale si giustifica perché la radiazione emessa ha una lunghezza d'onda
maggiore rispetto alla radiazione che incide su di un corpo.
Questo fatto è già per me una novità in quanto, chissà perché, mi ero fatto
l'idea che se una radiazione monocromatica incide su un corpo allora la
radiazione riflessa, eventualmente attenuata, ha sempre la stessa lunghezza
d'onda.
Comunque leggendo il suddetto paragrafo ad un certo punto mi sono fatto
questa idea : un cristallo può essere pensato come un insieme di ioni
positivi immersi in un mare di elettroni, poi ci sarebbero anche da
considerare gli elettroni legati ai vari atomi ecc. quindi un fotone che
incide su un cristallo sulla superficie incontra molto rapidamente un
elettrone che si muove a caso (credo). Oppure mettiamo che il fotone riesca
a raggiungere un atomo, situazione che a me mi sembra improbabile, allora
urta con un nucleo o con un elettrone legato e pure questi si muovono a caso
a causa dell'agitazione termica (in prima approssimazione, più precisamente
bisognerebbe introdurre i fononi).
Allora se questo fotone urta con un oggetto che si muove casualmente non
sarà anch'esso deflesso casualmente ? Quindi se uscirà di nuovo dalla
superficie, la sua direzione non sarà casuale ? Come si concilia questo con
la legge della riflessione che dice che la radiazione riflessa forma con la
superficie del corpo lo stesso angolo della radiazione incidente ? Mettiamo
poi che un fotone a causa di una serie di urti ripetuti non riesca più ad
uscire dalla superficie, allora io mi immagino il moto di questo fotone nel
cristallo un moto aleatorio tipo browniano. Come si concilia ciò con la
legge di Snell ?
Grazie, ciao a tutti, Paolo

 superficie del corpo lo stesso angolo della radiazione incidente ? 
(cut)
Evidentemente un fotone che viene riflesso (conservando la lunghezza
d'onda di arrivo) secondo la legge dell'uguaglianza dell'angolo non
interagisce con i costituenti della materia, ma con un "campo
superficiale" che contiene l'informazione della planarietà, e tanto più
quanto più si è distanti dai costituenti di frontiera.
Se hai voglia, dai un'occhiata a quel che ne dice la mia teoria
("eretica"; quella che tu poni è una questione fondamentale.
http://www.scuoladifisica.it/One%20Chapter%20Six-Six.html
Qui vedi una figura che ti può chiarire. Navigando nei dintorni (parti da
http://www.scuoladifisica.it
 )troverai i referenti teorici.
Ciao
Luciano
-- 
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ab...@newsland.it

 legge di Snell ?
Questo succede, ma non in un cristallo. Avrai un mezzo torbido; per es.
una sospensione di particelle in un liquido, o un aggregato di
microcristalli.
Pensa a una vernice bianca: non e' che un insieme di microcristalli
trasparenti (per es. TiO2) ciascuno dei quali riflette disordinatamente.
I fotoni riescono a uscire, ma perdono "memoria" della direzione di
entrata, per cui la superficie ti appare perfettamente diffondente
anziche' riflettente.
-- 
Elio Fabri
Dip. di Fisica - Univ. di Pisa
Sez. Astronomia e Astrofisica

 ...
Ecco qui non ho capito bene :-( ma dipenderà dal fatto che come dicevo
alcune cose non le so bene, come la teoria dello scattering. Che vuol dire
che un fotone "incontra" simultaneamente moltissimi elettroni ? Come
giustamente dici questo punto dovrà essere di fondamentale importanza in
quanto se si riuscisse a provare che ne incontra solo uno allora si dovrebbe
considerare l'effetto Compton, no ? Forse interviene una qualche limitazione
tipo principio di indeterminazione di Heisenberg della MQ ? Se ne incontra
moltissimi non si potrebbe considerare una specie di "effetto Compton
collettivo" ? Comunque per quanto mi sforzi continuo ancora a pensare alla
radiazione e.m. come composta da "corpuscoli" ma in questo caso come dici è
sbagliato. Ovviamente penso alla radiazione e.m. come composta da corpuscoli
particolari ... cioè corpuscoli *quantistici*, cioè dotati di particolari
proprietà,  *no* classici.
Poi allora nell'esperimento che citi di Compton e Simon (circa 1925) come
hanno fatto a far si che un fotone urtasse con un solo elettrone e quindi a
misurare gli effetti dell'urto cioè elettrone che rimbalzava, energia
mancante nel fotone ecc..? In un problema generico come si fa a dire che
bisogna pensare alla radiazione e.m. come composta da fotoni oppure no ?
Secondo me (che non sono proprio nessuno) il problema non sussiste; mi
spiego con un esempio : Si immagini di realizzare il classico esperimento
dell'interferenza di onde elettromagnetiche monocromatiche polarizzate
linearmente ecc., sulla lastra fotografica si vedranno le classiche frange
di interferenza che si possono calcolare con l'elettromagnetismo classico e
questo dovrebbe provare la natura ondulatoria della luce. Poi per la natura
corpuscolare ci sono i classici esperimenti fotoelettrico e Compton. Adesso
il primo esperimento, quello sull'interferenza, sembra provare la natura
ondulatoria della radiazione e.m. ma invece non fa altro che provare la vera
natura della luce e cioè quella corpuscolare (non vi irritate più di tanto
:-)) Infatti si immagini di compiere lo stesso esperimento in questo altro
modo e mi sembra che ciò fu fatto da un eminente fisico di cui adesso mi
sfugge il nome : le due sorgenti di radiazione monocromatica siano regolate
in modo da emettere pochissima potenza, al limite pochi fotoni, allora sulla
lastra fotografica si vedrà che nel corso del tempo si imprimeranno alcuni
"puntini", i fotoni che urtano sulla lastra, e vi sarà maggiore probabilità
che urteranno in quelle zone dove prima le frange erano più luminose ed
intense. Se si aspetta tanto tempo si saranno formate, a forza di "puntini",
le stesse frange di interferenza di prima.Questo prova che anche prima la
luce aveva natura corpuscolare ma solo che essendo la potenza delle sorgenti
alta non si riuscivano a distinguere i singoli fotoni. Prima si aveva una
valanga di fotoni. E ovvio che si devono trattare problemi in cui ci sono
tantissimi fotoni può essere più conveniente pensare alla luce come onda
e.m., ma questo poi può anche non essere vero, per esempio nell'effetto
fotoelettrico. Come ripeto questi corpuscoli sono quantistici, *no*classici,
e a volte possono comportarsi in modo "bizzarro". Per dirla tutta io la vedo
così : la meccanica classica e l'elettromagnetismo classico sono *falsi*
anche se per talune applicazione possono andare più che bene, anche la MQ è
falsa in assoluto (Popper : ogni teoria vive nell'attesa della propria
falsificazione; magari fra 20 anni ci sarà una teoria che falsificherà la
MQ e così via) solo che per adesso la MQ e la teoria che meglio interpreta e
prevede vari fatti. Poi secondo la MQ tutto è quantizzato : le particelle, e
questo e quasi ovvio, i campi, e questo meno ovvio ecc...e poi alla fine si
hanno tutte particelle - quasi particelle che interagiscono fra di loro in
modo spesso poco (credo) intuitivo, ma se il mondo a livello microscopico è
molto bizzarro non bisogna fare altro che prenderne atto.
Quindi ritornando al cristallo se si vede la radiazione e.m. come composta
da corpuscoli secondo me ci sono dei problemi, ma tu hai detto che non va
bene e quindi io devo studiare di più ... soprattutto questo scattering con
cui si spiega tutto, ok ho capito :-)
Un'ultima cosa sempre pensando alla radiazione e.m. come a dei corpuscoli,
ma forse anche in questo contesto è sbagliato. Se un fotone ha più energia,
frequenza più alta, di un altro a me verrebbe da pensare che quando entra in
un corpo subisca meno l'azione di questo rispetto al fotone meno energetico,
in quanto dotato appunto di più energia. Si sa che l'indice di rifrazione di
un materiale dipende dalla frequenza : come è che un fotone-rosso viene
deflesso di più, entrando in un materiale, rispetto ad un fotone-violetto ?
Se anche tutto ciò si spiega con lo scattering allora come non detto
Grazie ancora per la pazienza e l'interessamento, Ciao, Paolo :-)

 elaborato delle proprie teorie ... boh !
Che la riflessione all'interfaccia avvenga non per interazione coi singoli
costituenti della materia (atomi ed elettroni), ma vada trattata come
problema di *barriera di potenziale*, e quindi in termini di potenziale di
campo (quello, appunto, che io chiamo "campo superficiale") risulta
incontestabile da una semplice osservazione, che nessuno mai fa.
Come è possibile che la luce venga riflessa (seppur parzialmente, ma
comunque addirittura in percentuale maggiore che nel caso opposto) anche
quando proviene *dall'interno* del corpo, in generale dal mezzo più
rifrangente (più denso)?
Io credo che non si possa glissare su questa domanda.
Tu puoi anche studiarti tutto ciò che è stato scritto sullo scattering, ma
credo che prima ancora di cominciare a farlo, se hai la capacità di
ragionare e di interrogarti sulle cose che finora ai dimostrato, capisci
che essa non ha nulla da dire in proposito.
I fotoni *sono già* nell materia: avvicinandosi alla superifcie
dall'interno, come *fanno a sapere* che dopo un po' troveranno il vuoto (o
il mezzo meno denso)? Si dispongono ad interagire, a scatterare, in base a
questa informazione, con l'ultimo strato di atomi?
Vorrei che Fabri prendesse posizione in proposito.
Ciao.
Luciano Buggio
http://www.scuoladifisica.it


 Se anche tutto cio' si spiega con lo scattering allora come non detto
Non con lo scattering in modo diretto, ma col fatto che l'ampiezza di
scattering dipende dall'energia del fotone, e questo ha effetto
sull'indice di rifrazione.
Spiegare anche sommariamente anche questo mi porterebbe via un po'
troppo tempo...


 Vorrei che Fabri prendesse posizione in proposito.
Accolgo la sfida :) anche se la risposta data a parole, senza calcoli,
non puo' essere convincente.
I fotoni vengono diffusi (scatterati) da tutti gli atomi che trovano. Le
onde diffuse interferiscono tra loro, e si cancellano esattamente
all'indietro solo se i mezzo in avanti e' infinito.
Non so se ricordo male, ma mi pare che Rossi tratti questa situazione.
Comunque da qualche parte l'ho vista, e credo anche di averla discussa
io stesso in qualche corso, ahime' almeno 30 anni fa...


 all'indietro solo se i mezzo in avanti e' infinito.
Potresti per cortesia chirire meglio questo punto (non capisco proprio
quel "davanti ed indietro": da che parte sta l'interfaccia?)
Ti prego, non dirmi che sono necesati i calcoli, per farsene un'idea:
proprio perchè parli di "avanti ed indietro", di diffusione e di
interferenza, di "tutti gli atomi" ecc., usando un linguaggio ceh si
capisce, credo che un'idea anche solo un po' intuitiva me la puoi dare, di
quel che succede affinchè sull'interfaccia si possa segnare la spezzatura
del percorso riflesso specularmente.
Perchè parli di spessore (credo) "infinito"? Mi interessa soprattutto
questo.
Ciao.
Luciano Buggio


io stesso in qualche corso, ahime' almeno 30 anni fa...
A livello divulgativo Feynman ne accenna nel
solito QED (capitolo 3).
Ciao
Paolo Russo

 Paolo Russo


 questo.
Proviamo a vederla cosi'.
Caso A: mezzo infinito.
In questo caso non avrai difficolta' ad ammettere che la luce (i fotoni)
si propaga solo in avanti, senza nessuna riflessione, neppure parziale.
Caso B: la luce proviene dall'aria e incontra un mezzo che inizia con un
superfice piana, ma poi si estende all'infinito.
Ora accetterai che la luce in parte si riflette, in parte passa nel
mezzo.
La spiegazione in termini microscopici e' che ciascun atomo del mezzo
diffonde la luce, e la sovrapposizione (coerente) di queste onde produce
l'onda riflessa.
Caso C: la luce proviene da un mezzo che termina su una superficie
piana; dopo c'e' il vuoto.
E' chiaro che il caso C e il caso B sommati insieme danno A; quindi
l'effetto (per ora incognito) della diffusione nel caso C, sommato con
quello del caso B, deve dare A.
Ma in A non c'e' nessuna riflessione: cio' significa che in B e in C si
devono avere riflessioni, confasi opposte, che per questo motivo si
cancellano.
(Per questa via si spiega facilmente il risultato noto che la fase della
riflessione e' opposta a seconda che si passi da un mezzo piu'
rifrangente a uno meno, o viceversa.)
La dimostrazione usa insomma il pricnipio di sovrapposizione: un'idea
base che e' matematica anche se si puo' descrivere e usare senza
formule...


E' vero?
Non conosco molto bene l'argomento. Quello che so e` che
l'onda EM che penetra attraverso uno strato di materiale che,
se fosse abbastanza spesso, la rifletterebbe completamente,
viene chiamata onda evanescente e che si attenua
esponenzialmente con lo spessore del materiale. Non c'e`
quindi una soglia netta tipo "mezza lunghezza d'onda", la
cosa e` un po' piu' complicata.
Vedi un po' se questi link ti possono aiutare; questo parla
di un tipo di microscopia dove si sfrutta proprio l'onda
evanescente che si ha quando l'angolo di incidenza al confine
tra due mezzi con diverso indice di rifrazione e' tale da dar
luogo a riflessione totale.
http://www.microscopy.fsu.edu/primer/techniques/fluorescence/tirf/tirfintro.html
Questa e' un applet Java che dovrebbe mostrare cosa accade
variando alcuni parametri. Non so se sia corretta.
http://www.microscopy.fsu.edu/primer/java/tirf/penetration/index.html
Ciao
Paolo Russo

 devono avere riflessioni ...eccc.
Ti confesso che non ho capito nulla, pur esendomi milto sforzato. Ho
stampato questa tua lettera e me la sono tenuta in tasca per un paio di
giorni, dando un'occhiata ogni tanto.
Scusami, ma questa tua ligica per far quadrare le cose mi sembra a dir
poco strana.
Ho l'impressione che tu ti stia arrampicando sugli specchi di cui si parla
qui.:-).
Applicami questo tuo ragionamento al caso della riflessione metallica
(lasciamo stare per ora il mezzo che trasmette): qui non abbiamo il
problema di riflessione dall'interno.
La luce che incide sulla superficie mobilità anche qui tutto il corpo
metallico?
E se no (come mi pare ovvio), quale è lo spessore dello strato che viene
"mobilitato" per la resa speculare dell'immagine?
Mi pare che Feynman stesso in QED tratti solo materiali rifrangenti, e non
specchi non trasparenti, metallici, che tendenzialmente  rimandano tutta
la luce o comunque asssorbono quella che non riflettono.
Quando si studia la riflessione, mi pare, come in tutte le cose, si debba
cominiciare dal più semplice, e nel caso della riflessione della luce il
più semplice è la * riflessione e basta*, cioè la riflessione totale (se
c'è) o comunque la luce inquanto riflessa, non la luce riflessa *e anche*
in parte trasmessa: questo è più complesso.
In una parola, lo scatteering funziona per la riflessione metallica?


 essere abbastanza trasparente.
Cosa intendi per trasparenza?: che l'immagine, indebolita, si conserva
(come nella trasmissione attraverso un mezzo rifrangente) o che
semplicemente passa della luce al di là dello strato sottile, diffusa in
direzioni casuali, per cui l'immagine viene distrutta?
Per quanto riguarda l'onda evanescente, penso che non ci aiuti a capire
quanto è in argomento, producendosi essa al contorno esterno di un mezzo
rifrangente e provenendo la luce dall'interno (riflessione totale per
l'angolo limite di incidenza limite.
Ciao.
Luciano Buggio


l'angolo limite di incidenza limite.
Per quanto ne so, *ogni* fenomeno di riflessione totale
produce un'onda evanescente. Nel caso ad esempio di
una particella come l'elettrone la cui funzione d'onda viene
parzialmente riflessa da una barriera di potenziale che
se fosse abbastanza spessa la rifletterebbe completamente,
si parla di effetto tunnel, ma in sostanza e' un'onda
evanescente con un altro nome.
Ora naturalmente vorrai esempi pratici, prove sperimentali.
Non sono un fisico e tutto cio' che posso fare e' la stessa
ricerca con Google che puo' fare chiunque (e che
attualmente non ho il tempo di fare, non riesco neanche a
leggere le news tutti i giorni), quindi non credo di avere
altro da aggiungere sull'argomento.
Ciao
Paolo Russo