Questo articolo è diviso sostanzialmente in due parti: voglio discutere un effetto quantistico, noto come effetto Zeemann.

Si tratta di analizzare un fenomeno insolito che ha luogo in presenza di campi magnetici.

In seguito voglio mostrarvi un’applicazione pratica, la lettura di un campo magnetico disomogeneo, ottenuta grazie all’effetto Zeemann e ad alcune proprietà della luce.

La portata del metodo, che consente una chiara lettura dell’intensità del campo su superfici molto piccole, è di chiaro interesse se si vogliono studiare fenomeni quantistici come i vortici di campo magnetico in un superconduttore (tipo II), ma anche per ragioni più pragmatiche, come leggere la banda magnetica di una tessera o una carta di credito.

La tecnologia è complessa, e alcune parti sono ovviamente un segreto di università e specialisti: si mormora comunque che tra i russi si trovino gli ultimi veri campioni del settore.

 

L’effetto Zeemann è un effetto quantistico,scoperto dall’olandese Peter Zeemann (wikipedia riporta Zeeman, mentre alcuni siti riportano Zeemann) nel 1896, quando ancora non si conosceva nulla della moderna teoria quantistica.

Non entrerò nella trattazione teorica: per illustrarne gli effetti, immaginiamo di effettuare l’operazione seguente:

 

Un fascio di luce bianca viene inviato attraverso un contenitore, riempito con un liquido (dell’acqua andrebbe benissimo). La luce bianca è composta di tutti i colori dello spettro, dal rosso al viola.

Il cilindretto è immerso in un campo magnetico, una calamita molto potente: ognuna delle frequenze diverse di cui si compone la luce, è allora deviata di un angolo specifico. In questo modo all’uscita del cilindretto il fascio di luce è separato (leggermente) nelle diverse componenti.

L’angolo di deviazione dipende, oltre che dalla lunghezza d’onda (sarebbe a dire: dal colore) anche dall’intensità del campo magnetico e dal tipo di sostanza attraversata. Tipicamente l’acqua o l’ammoniaca non hanno un grande effetto Zeemann, mentre alcune plastiche trasparenti sono molto efficaci.

Per quanto il modello teorico che spiega questo effetto faccia riferimento alla teoria quantistica (almeno alla versione “semplice” con l’atomo di Bohr) l’effetto Zeeman è tutto qui: la luce che passa attraverso un materiale immerso in un campo magnetico, “gira” di un angolo proporzionale alla sua lunghezza d’onda.

 

Esiste un metodo basato sull’effetto Zeemann, che permette di osservare i campi magnetici, colorandoli con macchie diverse, rispetto alla loro intensità.

Per capire come questo sia possibile, occorre conoscere il processo detto di polarizzazione della luce.

Un raggio di luce bianca si compone di tutte le lunghezze d’onda dello spettro luminoso, ma anche di onde orientate in tutte le direzioni.

Mi spiego: se un raggio di luce arriva verso di voi, significa che un’onda lineare, una sorta di corda serpentina, sta arrivandovi incontro. Le gobbe della corda, le oscillazioni dell’onda, possono essere orientate nel piano destra-sinistra, oppure nel piano alto-basso, oppure in qualsiasi piano diagonale intermedio.

Polarizzare la luce significa eliminare tutte le onde che non sono orientate secondo un certo piano (ad esempio tutte quelle che non sono orientate nel piano alto-basso). È quello che fanno gli occhiali polaroid: eliminano tutta la luce orientata in modo diverso dagli occhiali, diminuendone notevolmente la quantità.

Provate a prendere due lenti polaroid e a metterle una in fila all’altra, girandone una delle due in senso orario, molto lentamente. Vi accorgerete che la luce non passa attraverso la doppia lente. A un certo punto della rotazione, improvvisamente passa di nuovo per un breve angolo, quindi il buio.

Cosa accade? Facile:la prima lente filtra tutta la luce, tranne quella alto-basso. La seconda filtra tutta la luce restante, tranne quella destra-sinistra, già filtrata in precedenza. Ergo non passa luce.

Se ruotate la seconda lente, la orientate secondo la direzione alto-basso, e la luce passa di nuovo.

 

Ora l’apparecchio che legge i campi magnetici: immaginate di voler guardare il campo magnetico di una carta telefonica.

La appoggiate su un microscopio e ci fate arrivare sopra della luce. La luce passa attraverso una lente polaroid prima di colpire la banda magnetica.

Sopra la banda magnetica, appoggiate uno speciale polimero, con un grande effetto Zeemann.

La luce polarizzata colpisce la placchetta, e grazie al campo magnetico sottostante, quello fornito dalla carta telefonica, ruota di un certo angolo per effetto Zeemann. Dato che non tutte le parti della carta hanno lo stesso campo (è normale, altrimenti non ci sarebbe scritto niente), ogni punto della placchetta devia la luce di un angolo diverso. A questo punto la luce è stata trasformata in un fascio colorato, ma se il campo incontrato é forte il fascio sarà molto girato (diciamo che il verde è girato di 20 gradi e gli altri colori in proporzione), mentre se il campo é debole il verde sarà girato solo di dieci gradi.

Il fascio di ritorno viene fatto passare da una seconda lente polaroid, girata in modo diverso. La luce viene quindi filtrata e rimane solo il colore orientato del numero “giusto” di gradi rispetto alla lente. Dato che ogni zona della placchetta ha girato di un angolo diverso i colori, il risultato sarà un immagine colorata a macchie, i colori delle macchi proporzionali al campo magnetico sulla placca. È così possibile leggere i campi magnetici.

 

http://it.wikipedia.org/wiki/Effetto_Zeeman