Bombardare per capire

Se prendo un cannone elettronico e lo uso per sparare elettroni su un materiale, possono succedere varie cose. Un fenomeno interessante è la cosiddetta emissione Auger. In poche parole, quando un elettrone viene inviato su un atomo, c'è una certa probabilità che questo interagisca con gli elettroni appartenenti all'atomo in questione. L'elettrone dell'atomo colpito dall'elettrone inviato dal cannone (elettrone primario, o fascio primario), può essere espulso dall'atomo. Se l'atomo possiede elettroni che prima dell'interazione stavano a un livello energetico più alto, uno di questi scende a un livello energetico più basso, e un altro elettrone viene espulso (emissione Auger). Alla fine del processo ci sono quindi due elettroni in meno nell'atomo. La cosa interessante è che l'energia cinetica del secondo elettrone espulso è caratteristica del materiale. Se abbiamo un rilevatore in grado di misurare l'energia cinetica del secondo elettrone, possiamo determinare quali elementi sono presenti nel nostro campione.

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La probabilità di interazione dell'elettrone primario con quello dell'atomo dipende dall'energia del primario, e questo si riflette sull'intensità del segnale Auger: più elettroni interagiscono, più elettroni Auger verranno emessi. Noi misuriamo l'intensità del segnale come una corrente.
Abbiamo provato a verificare questa cosa in laboratorio.

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1 Introduzione

Nell’esperimento qui descritto ci proponiamo di misurare l’andamento della sezione d’urto del fascio primario in funzione dell’energia dello stesso.

2 Apparato sperimentale

Il nostro apparato sperimentale si compone di:
• Un campione di rame
• Un sistema di pompe da vuoto
• Un cannone elettronico di intensit`a variabile
• Strumenti e interfacce di controllo
• Un computer per la raccolta dei dati

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3 Cenni teorici

L’intensità del segnale emesso dal materiale dipende principalmente da tre fattori: la sezione d’urto di ionizzazione σ, la probabilità di diseccitazione D Auger e il cammino libero medio λ. σ dipende dall’energia del primario, ed è massima per energie che sono 2-3 volte l’energia di legame degli elettroni del livello da cui viene espulso l’elettrone. Allontanandosi da questo valore σ diminuisce: o l’elettrone non è abbastanza energetico per ionizzare, o è troppo veloce perchè l’interazione possa avvenire. La D indica la probabilità che l’atomo per diseccitarsi emetta un elettrone auger, preferendo questo meccanismo di diseccitazione ad altri (emissione raggi X). Il cammino libero medio dell’elettrone Auger indica la probabilità che questo elettrone esca dal solido inalterato. L’unica sezione d’urto su cui possiamo agire è σ, perchè dipende dall’energia del fascio, che possiamo controllare. La conoscenza della corrente incidente sul campione è necessaria, perchè è indice del numerodi proiettili, cioè gli elettroni, che colpiscono il bersaglio. L’intensità del segnale è proporzionale al numero di atomi ionizzati: se aumenta il numero di proiettili, aumenta il numero di atomi colpiti nell’unità di tempo. È quindi necessario normalizzare il segnale ottenuto in funzione della corrente per ottenere un valore indipendente da essa.

4 Procedimento

Una volta acceso tutto l’apparato sperimentale, misuriamo la corrente prodotta dal campione in funzione dell’energia del primario. Per variare l’energia del primario, giriamo l’apposita manopola che controlla il cannoncino elettronico. Variamo l’energia a intervalli di 200 eV, da un minimo di 900 eV fino a 4900 eV. Registriamo per ogni valore dell’energia del primario l’intensità del segnale emesso dal materiale. Conoscendo l’intensità del segnale, l’energia del primario e la corrente inviata sul campione, possiamo risalire alla sezione d’urto del primario per i materiali che abbiamo a disposizione. Per la raccolta dati usiamo un programma per PC che crea automaticamente il grafico dello spettro Auger derivato. In questo modo possiamo agevolmente raccogliere le altezze picco-picco. Preliminarmente analizziamo lo spettro Auger del materiale in esame. Il programma permette di ricavare gli elementi a cui appartengono i picchi: in questo modo possiamo selezionare la parte di spettro che ci interessa.

5 Dati sperimentali

Gli esiti della misura sono notevolmente differenti per i due diversi elementi. La sezione d’urto del carbonio ha un andamento più regolare, facilmente interpolabile. La curva presenta un suo massimo nella regione tra i 1000 eV e i 1500 eV, ma non abbiamo osservato l’andamento nella regione a energie più basse.

La curva del rame invece è più irregolare, e l’interpolazione presenta un massimo nella regione attorno a 3500 eV.

6 Analisi dei dati

Si è graficato l’andamento della sezione d’urto (normalizzata rispetto la corrente) contro l’energia del primario. Per il carbonio la curva interpolante segue un andamento regolare, con un massimo nella regione compresa tra i 1000 e i 1500 eV per poi decrescere con l’aumentare della energia. La regione in cui si individua il massimo è quella soggetta ad un errore più alto poichè la regione per la quale si registrano valori di corrente minori e quindi con errore relativo più elevato. Per il rame si sono raccolti meno dati in quanto il relativo picco Auger è presente solo dai 1900 eV in poi. In questo caso la curva interpolante ha un comportamento meno regolare ed è soggetta a piccole oscillazioni. Il massimo lo si può comunque individuare nella regione compresa tra i 2500 e i 3500 eV. A differenza del carbonio non si vede l’andamento decrescente della sezione d’urto dopo il massimo in quanto il primario raggiunge al più 5000 eV di energia.

7 Discussione dei risultati

A causa dell’intervallo di energie scelto per il fascio primario non siamo riusciti ad osservare l’andamento completo della sezione d’urto del carbonio. L’intervallo osservato è però in linea con le previsioni teoriche. Il picco si ha infatti nella regione in cui l’energia del primario è doppia/tripla rispetto all’energia di ionizzazione del carbonio. La curva del rame presenta invece un andamento più incerto. Questo può essere dovuto al fatto che il range di energie misurate per il rame è minore di quello del carbonio, e quindi nel complesso si ha una maggiore sensibilità rispetto all’incertezza degli strumenti nella raccolta dati. Altro fattore che potrebbe aver influenzato le misure è l’usura degli strumenti di misura.

Fonti

• https://www1.udel.edu/pchem/C444/info/AES_XPS.pdf
• https://www.uio.no/studier/emner/matnat/fys/MENA3100/v13/undervisningsmateriale/aes_spyros.pdf
• http://www.gfms.unimore.it/aa_2006_2007/Metodi%20spettroscopici/Metodi%20Spettroscopici%205.pdf

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_{Immagine CC0 Creative Commons, si ringrazia @mrazura per il logo ITASTEM.
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