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sincrotróne

sm. [sec. XX; da sincrociclotrone]. In fisica nucleare, acceleratore circolare di particelle cariche fino a velocità relativistiche.

Fisica

Da semplice fenomeno fisico, la radiazione (o luce) di sincrotrone è andata assumendo negli ultimi anni sempre più un ruolo di mezzo di indagine insostituibile per analizzare la struttura di materiali di ogni tipo. Rispetto alle sorgenti tradizionali, che emettono soltanto alcune lunghezze d'onda isolate, la radiazione di sincrotrone ha un ampio spettro di lunghezze d'onda, nella zona tra l'ultravioletto e i raggi X, confrontabili quindi con le dimensioni di atomi, molecole e macromolecole. È possibile quindi sintonizzarsi a piacere su una determinata lunghezza d'onda e utilizzarla per un determinato esperimento. La radiazione di sincrotrone si caratterizza inoltre per la sua alta intensità e alta collimazione, essenziali per il suo uso come mezzo di indagine. Tra la fine degli anni Ottanta e la prima metà degli anni Novanta, sono state realizzate (Berkeley, Grenoble, Trieste), macchine di luce di sincrotrone di “terza generazione”. Esse sono basate su uno o più acceleratori di particelle che fungono da sistema di iniezione e da un terzo stadio costituito dalla “macchina di luce” vera e propria. Gli elettroni, generati da una sorgente termoionica, vengono accelerati da un acceleratore lineare fino all'energia di alcune decine o centinaia di MeV e poi immessi, in alcuni casi in pacchetti temporalmente spaziati, in un sincrotrone che li accelera ulteriormente a un'energia superiore a 1 GeV. Successivamente sono inviati in un anello di accumulazione, dove ruotano a energia costante. All'interno dell'anello vengono prodotti campi magnetici generati da magneti curvanti, ondulatori e wigglers (dispositivi magnetici multipolari costituiti da due file contrapposte di magneti a polaritàalternate, con direzione del campo perpendicolare a quella del fascio di elettroni, grazie ai quali gli elettroni percorrono una traiettoria a slalom ottenendo un aumento della luce di sincrotrone prodotta rispetto a un magnete curvante tradizionale) e dove si verifica il fenomeno della luce di sincrotrone. Con opportuni sistemi, la luce di sincrotrone ottenuta a ogni passaggio degli elettroni nei magneti viene poi incanalata nelle cosiddette “linee di luce”, sotto vuoto spinto, dove viene selezionata la lunghezza d'onda desiderata e al termine delle quali si trovano le apparecchiature con i campioni da analizzare. Una singola macchina di luce può essere collegata anche a una trentina di linee di luce, ognuna dedicata a un particolare tipo di esperimento. Se vengono utilizzati elettroni in pacchetti, inoltre, la macchina di luce emetterà luce di sincrotrone pulsata, con grande accuratezza e stabilità, rendendo possibili, per esempio, esperimenti su proprietà cinetiche e dinamiche di sistemi biologici e chimici, come se li si “filmasse”. Applicazioni della luce di sincrotrone. Attraverso gli spettri di assorbimento dei raggi X dei campioni da analizzare, con la luce di sincrotrone è possibile per esempio ottenere informazioni sulla posizione dell'atomo assorbitore relativamente agli atomi vicini, dei quali si può conoscere il numero e la specie chimica. Utilizzando luce pulsata si può quindi seguire lo sviluppo dinamico di mutamenti nella struttura dei materiali provocati per esempio da reazioni chimiche, dalla corrosione di superfici allo studio di enzimi e proteine. Utilizzando l'effetto fotoelettrico (l'emissione di elettroni da parte di materiali colpiti da luce), si può analizzare il comportamento degli elettroni nei semiconduttori per realizzare dispositivi elettronici avanzati, oppure ottenere informazioni particolareggiate sulla struttura e composizione di materiali di interesse tecnologico (ceramiche, polimeri, leghe avanzate). La stessa fotoemissione, combinata con la possibilità di misurare lo spin dell'elettrone emesso dal materiale in esame, può inoltre fornire preziosi aiuti alla comprensione di fenomeni magnetici ancora non ben conosciuti, dalla quale trarrà vantaggio l'industria delle memorie magnetiche, da quelle per i computer a quelle per l'elettronica di consumo (videoregistratori ecc.). Sul fronte della biologia, la luce di sincrotrone può comportarsi come un microscopio a raggi X, ma con la possibilità di studiare la dinamica di fenomeni in vivo, cosa non possibile con i tradizionali microscopi elettronici. Si possono ottenere informazioni sull'azione terapeutica, a livello molecolare, di composti chimici e nuovi farmaci. Impiegando tecniche diffrattometriche, con la luce di sincrotrone è possibile infine definire la forma e la composizione chimica di proteine e virus, con benefici di grande importanza per la ricerca medica, biologica e farmacologica.