Differenze tra le versioni di "Channeling (fisica)"

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Precisazioni su channelling con fasci positivi e negativi
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m (Precisazioni su channelling con fasci positivi e negativi)
In [[fisica]] il '''channelling''' o '''channeling''' (dall'inglese ''incanalamento'') è un fenomeno che consiste nella modifica delle traiettorie di [[Fascio ionico|fasci ionici]] (o di particelle cariche) in un materiale cristallino solido, detto anche incanalamento di fasci, che avviene quando un fascio di ioni è accuratamente allineato con una direzione ad alta simmetria di un cristallo<ref name=":0">{{Cita libro|titolo=L.C. Feldman & J.W. Mayer, Fundamentals of Modern Surface Analysys , North Holland, 1986}}</ref>.
 
L'interazione di un fascio di [[Particella (fisica)|particelle]] cariche o di ioni con un materiale può dar luogo ad un'ampia varietà di fenomeni fisici, come lo [[scattering elastico]], anelastico, processi di perdita di energia, [[Reazione nucleare|reazioni nucleari]], emissione di elettroni secondari ed altri fenomeni. Ognuno di essi è caratterizzato da una [[sezione d'urto]] ([[Cross section (fisica)|cross section]]) che esprime la probabilità che quello specifico fenomeno accada, dato uno specifico materiale e uno specifico fascio. Le sezioni d'urto sono in genere espresse per un [[Isotropia|materiale isotropo]] e omogeneo, dove gli atomi del materiale sono da considerarsi disposti casualmente, o possono presentare solo un ordine locale. In queste condizioni, la sezione d'urto è indipendente dalla direzione del vettore quantità di moto del fascio, ovvero al variare dell'angolo di entrata del fascio ionico in un materiale, la sezione d'urto non è si modifica.
In generale, l'interazione fra ione incidente e il materiale può essere divisa in due grandi categorie: le interazioni ione-elettroni e ione-nuclei. Le interazioni ione-elettroni danno origine ai principali meccanismi di perdite di energia degli ioni incidenti e di quelli diffusi nei materiali, mentre le interazioni ione-nuclei sono alla base di diversi fenomeni fisici su cui si basano le tecniche di [[Analisi con fascio ionico|analisi con fasci ionici]], tra i quali anche il fenomeno del channelling.
[[File:Si110 channeling4 zoom800.png|miniatura|Fig.1 Rappresentazione di un cristallo di silicio spesso circa 12nm visto dalla direzione cristallografica 110.]]
Il fenomeno del channelling è facilmente riscontrabile durante l'uso di tecniche di [[Analisi con fascio ionico|analisi a fascio ionici]] (ion beam analysis) con materiali cristallini, prima tra tutte la tecnica [[:en:Rutherford_backscattering_spectrometry|Rutherford backscattering spectrometry]] (RBS), dove fasci di ioni (come H<sup>+</sup> o <sup>4</sup>He<sup>+</sup>) sono utilizzati ad energie in genere tra 100 keV - 5 MeV per analizzare materiali, sfruttando le interazioni ione-nucleo per ricavare informazioni composizionali o strutturali. Tuttavia fenomeni di channelling sono comunemente riscontrati in un ampissima gamma di energie, anche in fasci altamente energetici dell'ordine di GeV - TeV<ref>{{Cita pubblicazione|autore=Redaelli|autore2=Butcher|autore3=Barreto|titolo=First observation of ion beam channeling in bent crystals at multi-TeV energies|rivista=The European Physical Journal C|volume=81|numero=142}}</ref>. Sono visibili fenomeni di channelling sia con fasci carichi positivamente, sia negativamente.
 
== Meccanismo ==
In generale, si può sempre assumere che la distribuzione di flusso di ioni incidenti su un materiale sia uniforme in tutti i siti atomici del materiale bersaglio. Questa condizione diventa non vera qualora il campione sia un materiale monocristallino, a causa dell'interazione che il fascio ionico ha con il materiale. In particolare, il fenomeno del channelling genera una variazione della probabilità dell'interazione tra un fascio ionico e i nuclei di un materiale cristallino, dovuto alla periodicità del potenziale nucleare, rendendo le traiettorie del fascio ionico all'interno del materiale localizzate principalmente tra i filari atomici anziché omogeneamente distribuite all'interno del solido.
[[File:Si110 random3 zoom800.png|miniatura|Fig.2 Rappresentazione grafica di un cristallo di silicio (come in Fig.1) con vista non allineata a nessuno direzione cristallografica.]]
Una immagine geometrica del fenomeno può essere data dall'incanalamento degli ioni incidenti in un materiale che espone una faccia a bassi [[indici di Miller]]. Il fascio incide in un materiale monocristallino e la struttura che il fascio "vede" può essere immaginata come una sequenza di atomi allineati e coperti con ampi spazi vuoti tra i filari di atomi (vedi Fig.1). Occorre pertanto che vi sia un allineamento tra la traiettoria del fascio e il cristallo per poter avere il fenomeno di channelling; infatti, nel caso non vi sia un allineamento, la disposizione degli atomi può essere non efficace per avere degli effetti di incanalamento (vedi Fig.2). Gli ioni che attraversano il materiale possono essere visti come delle cariche positive (nel caso più comune di fasci positivi, che si trattano in questa sezione) in moto in un potenziale repulsivo, dato dai nuclei dei singoli atomi che compongono il materiale. Il fascio di ioni incide inizialmente con distribuzione uniforme sulla superficie del campione. Di conseguenza il primo atomo di ogni riga presenta una probabilità di interazione analoga a quella tipica di un materiale amorfo. Esso però è la sorgente di un potenziale repulsivo per le cariche positive incidenti che genera un “volume proibito” noto come “cono d’ombra” che impedisce (o riduce fortemente) la probabilità di interazione del fascio con gli atomi immediatamente retrostanti. Solo se, a seguito di vibrazione termica o di un difetto cristallografico, gli atomi retrostanti si trovano spostati dalla loro posizione reticolare regolare fino ad uscire dal cono d'ombra, l’interazione diventa possibile<ref>Dispense di Lezione, "TECNICHE NUCLEARI PER LA CARATTERIZZAZIONE CHIMICA E STRUTTURALE DI CAMPIONI SOLIDI" prof. ''Alberto Carnera'', Università degli Studi di Padova, Italia. </ref>. A seguito dell’azione del potenziale repulsivo delle righe (o piani) atomici gli ioni incidenti subiscono delle deflessioni che li portano su delle traiettorie oscillanti all’ interno del “canale”. Gli ioni che hanno attraversato la superficie del cristallo in una posizione centrale nel canale subiranno piccole deflessioni e proseguiranno con traiettorie che si discostano poco dal centro del canale. La loro probabilità di interazione sarà quindi particolarmente bassa. Gli ioni più “periferici” descriveranno invece oscillazioni all'interno del canale dato dalla disposizione ordinata dei nuclei.
 
È dunque possibile incanalare degli ioni in un cristallo lungo direzioni diverse, ed in particolare tra piani cristallografici o lungo assi cristallografici. Da qui ne deriva che, a seconda dell'allineamento scelto, si possa parlare di due tipi di incanalamento: channelling assiale o channelling planare.
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