Sorgenti non convenzionali: luce di sincrotrone e neutroni

Per generare i raggi X necessari ad effettuare un esperimento di diffrazione, si sfrutta generalmente la radiazione emessa da una targetta di metallo su cui vengono fatti collidere elettroni accelerati da una forte differenza di potenziale. I contributi sono fondamentalmente due: uno di tipo continuo detto radiazione di "bremmstrahlung" (ossia di frenamento), e l'altro, più intenso e monocromatico, dovuto alle transizioni elettroniche degli elettroni delle shell più interne degli atomi del metallo. Questi fenomeni sono normalmente sfruttati per produrre i raggi X nei comuni generatori da laboratorio, di tipo "sealed tube". Tuttavia, per poter ottenere un buon diffrattogramma da cui poter estrarre il maggior numero di informazioni possibili, spesso l'intensità e la brillanza di queste sorgenti non basta, ma è necessario ricorrere ad altri più sofisticati strumenti.

La luce di sincrotrone

Schema di un sincrotrone
Un sincrotrone è un acceleratore di particelle cariche, generalmente elettroni, che ha la forma di un anello di dimensioni ragguardevoli (spesso centinaia di metri di diametro). In esso le particelle vengono accelerate sfruttando un sistema di campi elettrici che sono sincronizzati con il tempo impiegato da queste a percorrere l'anello. La sincronizzazione permette di tenere conto delle variazioni di massa subite dalle particelle, che vengono spinte fino a velocità relativistiche. Per tenere le particelle cariche confinate in una traiettoria chiusa si usano potenti elettromagneti curvanti. In effetti la curvatura della traiettoria non è costante, bensì è composta da una seguenza di tratti rettilinei e tratti curvi. In prossimità delle curve, si è scoperto che gli elettroni, costretti ad un moto circolare, quindi accelerato, sono in grado di emettere una radiazione elettromagnetica molto intensa e ad ampio spettro, in particolare anche raggi X. Essa viene prelevata tangenzialmente all'anello e convogliata in particolari laboratori, le beamlines, dove può essere utilizzata per vari scopi scientifici, tra i quali quello di effettuare esperimenti di diffrazione. Le caratteristiche principali della luce di sincrotrone sono l'elevata brillanza, ordini di grandezza superiore a quella delle sorgenti convenzionali e il fatto di essere fortemente collimata e quasi totalmente polarizzata. I principali sincrotroni al mondo sono: ESRF a Grenoble (Fr), APS nell'Illinois (USA) e Spring8 a Kouto (Jap).

Sorgenti di neutroni

Il fenomeno della diffrazione è di natura ondulatorio, tuttavia in base all'equazione di De Broglie anche una particella può dare origine a fenomeni ondulatori, pur essendo di natura corpuscolare. In particolare, l'interazione dei neutroni di energia opportuna (neutroni termici) con la materia può dar luogo a effetti interferenziali simili a quelli prodotti dai raggi X. La grossa differenza fra i raggi X e i neutroni è legata al fatto che i primi interagiscono con gli elettroni, ossia "vedono" la densità elettronica del cristallo, mentre i secondi interagiscono con i ben più piccoli nuclei atomici. Ciò si traduce nel fatto che il fattore di scattering di un particolare atomo è in generale molto diverso se sondato con i raggi X piuttosto che con i neutroni, tanto che le due tecniche sono talvolta complementari. In generale, i neutroni vengono usati per studiare principalmente i composti biologici, a causa del basso livello di danneggiamento che inducono sui materiali (a parità di lunghezza d'onda, i raggi X sono infatti molto più energetici) e al relativamente alto potere di scattering neutronico che hanno gli atomi leggeri. Per potere effettuare diffrazione di neutroni è necessario disporre di un reattore nucleare, quale l'Istituto Laue Langevin a Grenoble (Fr) oppure di una sorgente per spallazione, come ISIS ad Oxford (UK).

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