mercoledì 27 aprile 2011

LASER: UN'IMPORTANTE APPLICAZIONE DELLA FISICA QUANTISTICA

Nel novembre del 1957 Gordon Gould, uno studente laureato della Columbia University, annotò su un taccuino alcune idee su come realizzare un laser, termine da lui stesso coniato.
I possibili utilizzi di tale strumento, aveva scritto, includevano:

- la spettrografia;
- l'interferometria;
- i radar;
- la fusione nucleare.

3 anni più tardi fu realizzato effettivamente il primo laser.
Il laser è forse la tecnologia che meglio rappresenta il XX secolo.
Infatti, ha portato alla realizzazione dei lettori CD, DVD, Blu-ray, degli scanner alle casse dei supermercati, delle fibre ottiche per le telecomunicazioni ad alta velocità e molto altro ancora.
Il termine "laser" è un acronimo inglese di Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ("amplificazione di luce attraverso emissione stimolata di radiazione").
Leggendo l'acronimo, sorge dunque una domanda: cos'è l'emissione stimolata di radiazione?
La fisica quantistica ha illustrato il meccanismo secondo cui gli atomi emettono radiazione elettromagnetica.
Se un atomo è eccitato, ossia ha un elettrone a un livello E2 di energia più elevato del livello minimo possibile (chiamiamolo E1), esso si rilassa portando l'elettrone al livello energetico inferiore ed emettendo un fotone che sottrae l'eccesso di energia, in un processo denominato emissione spontanea.
L'emissione spontanea, in un insieme di atomi eccitati, avviene in modo disordinato, in quanto i fotoni emergono in tutte le direzioni e in istanti diversi.
Arrivando al nocciolo della domanda, la meccanica quantistica prevede tuttavia anche un ulteriore meccanismo di emissione: l'emissione stimolata (idea introdotta da Einstein nel 1917), appunto.
Se l'atomo eccitato viene colpito da un fotone della "giusta energia", cioè pari alla differenza tra i 2 livelli energetici (E2-E1), allora, nel rilassarsi, esso emette istantaneamente un altro fotone della stessa energia e nella stessa direzione del primo!
Questa è la base del funzionamento di un laser.
Già un solo atomo amplifica la radiazione: infatti, per un fotone che incide sull'atomo ne emergono 2 identici.
Dunque, basandosi su questo fenomeno, per realizzare un laser, è necessario preparare un gran numero di atomi di una certa sostanza, chiamata mezzo attivo, in maniera che ognuno abbia un elettrone a un livello alto di energia, e far scendere poi gli elettroni a un livello più basso per emissione stimolata.
Tra gli stati eccitati in cui può trovarsi un elettrone atomico sussistono alcuni, denominati metastabili, nei quali l'elettrone permane per un tempo relativamente lungo prima di compiere una transizione spontanea verso uno stato a energia inferiore.
Per la preparazione degli atomi del mezzo attivo occorre fare in modo che la maggior parte di essi abbia un determinato stato metastabile "popolato", a scapito dello stato fondamentale, rimasto privo di elettroni.
In gergo tecnico, questo meccanismo viene detto inversione di popolazione.
Essendo in uno stato metastabile, gli elettroni hanno il tempo di aspettare che pervengano i fotoni, i quali vanno ad indurre l'emissione stimolata di altri fotoni, in una reazione a catena.
Per ottenere l'inversione di popolazione bisogna sottoporre gli atomi a un irraggiamento elettromagnetico oppure a una scarica elettrica (in generale bisogna fornire dall'esterno un'energia molto intensa), mediante l'operazione chiamata pompaggio ottico.
Questo è il prezzo energetico da pagare se vogliamo ottenere la moltiplicazione dei fotoni, e pertanto, un raggio laser.
Ma quali sono le caratteristiche della luce che esce da un laser?
Il fascio luminoso risulta:

- collimato, cioè unidirezionale.
- estremamente monocromatico: ciò significa che possiede una precisa lunghezza d'onda: il laser seleziona e amplifica una sola componente dello spettro elettromagnetico, o per esser più precisi, un insieme continuo di componenti che appartengono a un intervallo veramente ristretto di lunghezze d'onda;
- estremamente coerente: in tutte le porzioni della sezione trasversale del fascio l'onda elettromagnetica è in fase: se il campo elettromagnetico è massimo in un punto della sezione, allora è massimo in tutti gli altri punti.

Per tali motivi, la luce laser è l'entità reale che più si avvicina al concetto ideale di onda elettromagnetica armonica: la sua lunghezza d'onda è pressocché unica, come unica è la sua direzione di propagazione e ben definiti risultano i fronti d'onda.
I laser possono essere suddivisi in queste categorie fondamentali:
  • laser a gas: comprendono i comunissimi laser a elio-neon, che sviluppano la loro nota luce rossa. Sono alimentati con onde radio o per mezzo di energia elettrica. I laser a elio-neon risultano piuttosto deboli. Esistono anche quelli ad anidride carbonica che, invece, possono essere sfruttati nell'industria pesante per far esplodere, tagliare e saldare, e possono innescare fasci potentissimi e totalmente invisibili;
  • laser chimici: vengono alimentati mediante una specifica reazione chimica, come, ad esempio, la combustione di un getto di etilene e trifluoruro di azoto (NF3). Risultano abbastanza potenti da poter essere usati a scopi militari. Infatti, le forze armate americane sono dotate di laser chimici, al suolo o aviotrasportati, capaci di generare potenze di milioni di watt e realizzati con il fine di abbattere in volo missili a corto raggio;
  • laser a eccimeri (o a ecciplessi): anch'essi alimentati da reazioni chimiche che interessano generalmente un gas nobile (argo, krypton, xeno), del fluoro o del cloro. La loro emissione è nell'ultravioletto. Possono essere utilizzati nell'industria dei semiconduttori per incidere transistor sui chip oppure in campo medico per delicati interventi di chirurgia oftalmica;
  • laser a stato solido: il primo di essi mai realizzato fu un laser a rubino, prodotto con un cristallo di rubino drogato con atomi di cromo. Sono numerosi i cristalli capaci di generare un fascio laser, a patto che vengano utilizzati insieme a sostanze chimiche come l'ittrio, l'olmio o il tulio. I laser a stato solido possono dar vita ad impulsi ultracorti ad alta energia;
  • laser a semiconduttori: i diodi, componenti molto utilizzati nell'industria dei semiconduttori, possono generare fasci abbastanza intensi da essere usati per tagliare e saldare. Rappresentano proprio quei laser che vengono usati nei supermercati per leggere i codici a barre dei prodotti che acquistiamo;
  • laser a coloranti (dye): sfruttano coloranti organici come mezzo di amplificazione. Sono ineguaglabili per quanto concerne il creare impulsi luminosi ultracorti, dell'ordine di una manciata di picosecondi!
Proprio il laser permette il funzionamento di un importante componente hardware dei moderni computer, ovvero il masterizzatore.
Esso ci permette, come ben noto, di archiviare un'enorme quantità di dati in forma binaria, indipendentemente dalla tipologia di dati, su un supporto ottico (i comuni CD o DVD) costituito da 4 strati:

1) primo strato: sulla superficie di esso si può collocare un'etichetta;
2) secondo strato: di materiale acrilico, il suo ruolo è solamente quello di fungere da elemento separatore;
3) terzo strato (Die): formato da una lamina di alluminio. Risulta "scrivibile" proprio mediante il laser che, emettendo a intervalli determinati luce molto intensa a temperature molto alte, arriva a bruciare letteralmente lo strato, incidendo in questo modo dei solchi microscopici chiamati Pit, le cui dimensioni vanno da 0,83 μm dei CD, fino a 0,4 μm dei DVD;
4) quarto strato: trasparente in policarbonato. Ha funzioni protettive.

L'informazione viene pertanto immagazzinata come una sequenza di zone bruciate o non bruciate.
La lettura delle informazioni avviene in questo modo: quando il laser incontra un Pit, la luce viene dispersa e codificata con il numero binario 0, mentre quando viene riflessa (cioè quando incontra le parti di alluminio non bruciate, dette Land) è codificata con 1.
L'informazione risulta perciò digitalizzata con una sequenza specifica di 0 e 1.
In conclusione, l'importanza del laser è sempre sotto i nostri occhi: molte delle importanti applicazioni di esso immaginate da Gordon Gould si sono avverate, eccetto la fusione nucleare.
Infatti, realizzare centrali basate sulle reazioni di fusione nucleare per produrre energia, rappresenta, molto probabilmente, il Santo Graal della produzione energetica (pulita)!

giovedì 21 aprile 2011

LA CHIMICA E LA BUONA MUSICA

La chimica è quella disciplina che si occupa in generale delle proprietà e delle trasformazioni della materia.
La musica rappresenta quel concetto che racchiude in sé, forse più di tutti, sia l'arte che la scienza.
Ma sussiste un qualche tipo di relazione tra chimica e musica?
Generalmente la musica è strettamente collegata alla fisica, in quanto è un insieme di onde sonore.
Dunque viene studiata dalla branca denominata acustica.
Per le relazioni della musica con la fisica vi rimando all'articolo Scienza e Musica: 2 Realtà Strettamente Collegate.
Tuttavia, esiste anche una relazione tra la musica (in particolare la "buona musica") e la "sorella" della fisica, ossia la chimica.
Robert Zatorre, neuroscienziato cognitivista che lavora al Neurological Institute della Mcgill University di Montreal, sostiene che i brividi (i "chills", che generalmente chiamiamo "pelle d'oca") causati dall'ascolto di un brano musicale particolarmente emozionante dipendono da una particolare sostanza chimica: la dopamina o dopammina.
Egli ritiene che vi siano 2 fasi in cui vengono rilasciate le molecole di dopamina nel cervello:

1) prima del massimo picco di piacere generato dall'ascolto del brano considerato;
2) durante l'esecuzione.

Egli afferma: "La musica produce dopamina e dà piacere come quando si assumono sostanze stupefacenti. Gli effetti positivi sono gli stessi della droga, con la differenza che ascoltare un brano piacevole è un'esperienza positiva e non dannosa".
Lo studio in questione sulle relazioni tra la musica e il rilascio di questa particolare sostanza è stato pubblicato su Nature Neuroscience.
Ma cos'è la dopamina?
Sintetizzata per la prima volta nel 1910 da George Barger e James Ewens presso i Laboratori Wellcome a Londra, la dopamina (la cui formula chimica è C6H3(OH)2-CH2-CH2-NH2) è una catecolamina, cioè una sostanza costituita da un gruppo amminico legato ad un anello fenolico del tipo catecolo (diidrossibenzene).
Specifichiamo che:

- un gruppo amminico o aminico è un gruppo funzionale (ossia quella specifica parte della struttura di una molecola che conferisce al composto la sua reattività tipica) di una molecola organica che contiene un atomo di azoto legato a 2 atomi di idrogeno;
- i fenoli sono composti che hanno uno o più gruppi ossidrilici (-OH) legati direttamente ad atomi di carbonio dell'anello del benzene. La caratteristica fondamentale di un anello fenolico del tipo catecolo è quella di presentare 2 gruppi ossidrilici.

Attinenti alle ricerche di Zatorre, sono le parole di Daniel Levitin nel suo bel libro "Fatti di Musica":

"Ascoltare musica faceva sì che le regioni cerebrali venissero attivate in un particolare ordine. In primo luogo la corteccia uditiva per l'elaborazione iniziale delle componenti del suono. Poi le regioni frontali come BA44 e BA47, implicate nell'elaborazione della struttura musicale e delle aspettative. Infine, una rete di regioni (il sistema mesolimbico) coinvolte nell'eccitazione, nel piacere, nella trasmissione di oppioidi e nella produzione di dopamina, che culminavano con l'attivazione del nucleus accumbens... Dunque, gli aspetti di gratificazione e rinforzo dell'ascolto musicale sembrano essere mediati da un incremento dei livelli di dopamina nel nucleus accumbens...Le attuali teorie di neuropsicologia associano l'umore e l'affetto positivo a maggiori livelli di dopamina, uno dei motivi per cui molti dei più recenti antidepressivi agiscono sul sistema dopaminergico. La musica è chiaramente un mezzo per migliorare l'umore delle persone, e adesso crediamo di sapere perché. La musica sembra imitare certe caratteristiche del linguaggio per trasmettere alcune delle stesse emozioni della comunicazione verbale, ma in modo non-referenziale e non-specifico. Invoca anche alcune delle stesse regioni neurali chiamate in causa dal linguaggio, ma, molto più di quest'ultimo, la musica s'infiltra in strutture cerebrali primitive, coinvolte con la motivazione, la gratificazione e l'emozione".

Specifichiamo che il nucleus accumbens è un sistema di neuroni posto nel cervello, deputato ad elaborare sensazioni di piacere o paura e che gioca un ruolo importante nei meccanismi di rinforzo, nella risata e nella dipendenza.
Tirando le fila del discorso, la musica riesce a stimolare diverse aree del cervello umano e, qualche volta, può persino causare, come abbiamo visto, il rilascio di dopamina.
Ecco perché si può considerare la musica come una sorta di "droga", completamente benefica, al contrario delle sostanze stupefacenti.
Quindi, quando la musica trasmette emozioni o addirittura causa la "pelle d'oca", come si suol dire, allora, in quel momento, manifesta non solo la sua caratteristica di arte, caratterizzandosi come qualcosa di estremamente armonioso, una "metafisica in suoni", come la definiva Schopenhauer, ma anche quella meno evidente di scienza!
Per concludere, ecco un po' di brani musicali che protrebbero stimolare (a causa della loro immensa bellezza) il rilascio di dopamina nel vostro cervello:

- Yo-Yo Ma: Gabriel's Oboe/The Falls (Ennio Morricone):



- Yo-Yo Ma: Deborah's Theme/Cockeye's Song/Main Theme from Once Upon a Time in America (Ennio Morricone):



- George Davidson: A Time for Us:



- Celine Dion: My Way:



- Carmen Cavallaro: To Love Again (Notturno Op.9 N.2 di Chopin):



- Percy Faith: Yesterday:



- Stan Whitmire: Main Theme from Forrest Gump:



- Andre Rieu: Il Padrino Main Theme/Stranger in Paradise (dalle Danze Polovesiane di Borodin):



- Andre Rieu: Il Cigno (dal Carnevale degli Animali di Camille Saint-Saens):



- Lara Fabian: Caruso:



- Lara Fabian: Adagio (canzone tratta dall'Adagio di Tomaso Albinoni):



- Richard Clayderman: Theme from Love Story:



- Chopin: Nocturne for Violin and Piano:



- Vladimir Ashkenazy: Piano Sonata n.8 Op.13 Patetica, Adagio Cantabile (Beethoven):



- Puccini: E Lucevan le Stelle (Tosca):



- Martha Argerich: Andante Spianato Et Grande Polonaise Brillante Op. 22 (Chopin):



- Andre Rieu: The Music of the Night: