Bremsstrahlung

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La radiazione di frenamento (o bremsstrahlung) è la radiazione emessa da particelle cariche quando subiscono un'accelerazione (o una decelerazione). Ciò avviene per esempio quando le particelle vengono scagliate contro un bersaglio metallico. Poiché gli elettroni sono molto più leggeri dei protoni (massa a riposo circa duemila volte inferiore) il bremsstrahlung degli elettroni è la più comune; infatti l'intensità delle onde emesse è inversamente proporzionale al cubo della massa. Invece, per le particelle cariche pesanti, quali i protoni, il fenomeno è trascurabile e questo ha portato l'LHC ad accelerare i nuclei atomici.

Secondo le equazioni di Maxwell, le cariche accelerate emettono radiazione elettromagnetica: in particolare, quando un elettrone urta contro un materiale, subisce uno scattering ad opera del campo coulombiano di un nucleo atomico, quindi si può pensare che esso venga "frenato". Se l'energia degli elettroni bombardanti è sufficientemente alta, la radiazione emessa si trova nella regione dei raggi X dello spettro elettromagnetico.

La perdita di energia per bremsstrahlung è significativa - cioè domina rispetto ai processi di ionizzazione e di eccitazione del nucleo - per elettroni altamente energetici (nell'ordine delle centinaia di MeV in aria e acqua, e delle decine di MeV in materiali pesanti come il piombo o il ferro). La perdita di energia media per unità di percorso si può calcolare approssimativamente, e risulta

- \langle \frac{dE}{dx} \rangle \approx \frac{4 N_a Z^2 \alpha^3 (\hbar c)^2}{m_e^2 c^4} E \; \; \ln \frac{183}{Z^{1/3}}

dove N_a è il numero di atomi per unità di volume, Z è il numero atomico del materiale, \alpha è la costante di struttura fine e m_e è la massa dell'elettrone. Si vede quindi che per particelle con massa più grande la perdita di energia è minore. Il termine logaritmico è dovuto alla parziale schermatura della carica nucleare da parte degli elettroni atomici. La trattazione formale attraverso la meccanica quantistica è stata svolta da Hans Bethe e Walther Heitler nel 1934.

La radiazione di bremsstrahlung è caratterizzata da una distribuzione continua di radiazione che diviene più intensa e si sposta verso le frequenze maggiori con l'aumentare dell'energia degli elettroni bombardanti. La frequenza massima della radiazione è legata all'energia cinetica degli elettroni da h \nu_{max} = E.

A questo spettro continuo si sovrappongono anche righe singole poiché gli elettroni bombardanti possono espellere elettroni dagli strati atomici più interni del bersaglio, e il rapido riempimento di queste lacune da parte di elettroni degli strati superiori produce raggi X caratteristici per ogni atomo (detti "di fluorescenza"). In alternativa può avvenire che il quanto energetico relativo alla differenza di energia tra i due orbitali provochi, dopo il decadimento elettronico a livelli energeticamente inferiori, l'ulteriore espulsione di elettroni più esterni. Questo fenomeno costituisce l'effetto Auger.

Questo effetto è riscontrabile anche in alcuni oggetti del profondo cielo, in cui l'emissione in genere è associata a gas caldo rarefatto presso ammassi di galassie.

Bibliografia[modifica | modifica sorgente]

  • Braibant, Giacomelli, Spurio, Particelle e interazioni fondamentali.

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