Chemia i fizyka teoretyczna. Spektroskopia atomowa. Mechanika kwantowa. Wiedza tajemna naszych czasów. Proszę się nie bać, spróbujemy posługiwać się prostym językiem, by oddać istotę odkrycia, które może mieć potężny wpływ na przyszłość Ziemi.
<!** Image 2 align=none alt="Image 179876" sub="Profesor Marek Polasik z Zakładu Spektroskopii Atomowej Wydziału Chemii UMK od lat zajmował się tajemniczym w wielu sytuacjach zachowaniem elektronów na powłoce K, czyli orbicie najbliższej jądra atomu. Wraz ze swoją współpracownicą dr Katarzyną Słabkowską oraz doktorantami i naukowcami z innych ośrodków naukowych udało mu się wytłumaczyć coś, co może mieć znaczenie dla przyszłości planety.
fot. Grzegorz Olkowski">- Chce pan to zrozumieć? By jasno o tym opowiedzieć? To może od razu przejdźmy „na ty”, będzie łatwiej - profesor UMK, Marek Polasik, skraca dystans błyskawicznie. Właśnie w prestiżowym czasopiśmie naukowym „Physical Review Letters” ukazał się artykuł jego autorstwa oraz członków prowadzonego przez niego zespołu. Pracę okrzyknięto przełomową. Problem w tym, że poza środowiskiem chemików i fizyków (teoretyków) niewielu rozumie, o co chodzi. Z teorią Einsteina było podobnie...
Zmierzyć się z zagadką
Tropiona przez naukowców zagadka kryła się na powłoce K. Chodzi o orbitę najbliższą jądru atomu, na której przebywają dwa elektrony. Powłok oczywiście może być więcej, elektronów w niektórych pierwiastkach nawet ponad sto, ale toruńskich naukowców interesowały od dawna losy właśnie tych dwóch z powłoki K, zachowujących się w niektórych sytuacjach bardzo tajemniczo.
- Dotychczas wiadomo było, że wchłonięcie fotonu przez atom może prowadzić do usunięcia obu elektronów z powłoki K, pomimo zaabsorbowania fotonu tylko przez jeden elektron. Nie wyjaśniono jednak dotąd, w jaki sposób jeden foton potrafi wybić z powłoki K oba elektrony, mimo że, oczywiście, nie może się podzielić - profesor Polasik tłumaczy obrazowo, gestykuluje zawzięcie, widać, że zachowanie elektronów jest mu zwyczajnie bliskie. On widzi to oczami wyobraźni. Nie prowadzi sam eksperymentów. Od tego są światowe laboratoria, takie jak chociażby w Grenoble, gdzie synchrotron wytwarza wiązki fotonów „nawalających” w Bogu ducha winne atomy (i elektrony). Wyniki badań są znane na całym świecie, więc nie trzeba mieszkać i pracować w tym francuskim mieście, by zmierzyć się z zagadką: dlaczego zarejestrowane w takim przypadku linie hipersatelitarne widma rentgenowskiego, stanowiące dowód usunięcia obu elektronów z powłoki K, mają nadspodziewanie dużą szerokość.
- Wiadomo od dawna, że usunięcie obu elektronów z powłoki K może nastąpić na skutek jednego z dwóch mechanizmów: kwantowego strząsania (SO, od ang. „shakeoff”) oraz klasycznego zderzeniowego (KO, od ang. „knockout”) - naukowiec rozpoczyna krótki wykład.
Dotarliśmy do fundamentów fizyki
W procesie SO pierwszy z elektronów (tzw. fotoelektron) w wyniku zaabsorbowania fotonu wyrzucany jest bardzo szybko z powłoki K i ze względu na nagłą zmianę potencjału atomowego również drugi elektron z powłoki K opuszcza atom. Natomiast drugi mechanizm słusznie się kojarzy z boksem, ponieważ w procesie KO pierwszy elektron z powłoki K, po zaabsorbowaniu fotonu, oddziałuje z drugim elektronem z tej powłoki (podobnie jak w zderzeniu kul bilardowych) i przekazuje mu część energii, po czym oba elektrony prawie jednocześnie opuszczają atom.
- Wszystko fajnie, tylko dlaczego linie hipersatelitarne są nadzwyczaj szerokie w przypadku mechanizmu KO? - pyta Marek Polasik.
Już jesteśmy blisko istoty odkrycia, które docenili naukowcy na całym świecie, badający te zjawiska.
<!** reklama>- Okazuje się, że w przypadku mechanizmu KO, tj. gdy oba elektrony prawie równocześnie opuszczają atom, wywołują zdecydowanie mocniejsze strząsanie (tj. silniejszą jonizację) elektronów na kolejnych powłokach niż w przypadku mechanizmu SO - wyjaśnia naukowiec. - I to 2,5 do 4 razy mocniejsze. Można więc powiedzieć, że następuje mocny shake po nokaucie. To tak, oczywiście, w największym skrócie.
Samo wręcz nasuwa się pytanie: No i co z tego? Co nam daje wiedza, że nadzwyczajna, niewytłumaczona dotąd, szerokość linii hipersatelitarnych pochodzi od strząsania elektronów wywołanego nokautem? Przecież dla zjadacza chleba to kompletna abstrakcja. Czemu poświęcać na to życie, pasjonować się tym? Mikroświat to nie wyspy Bahama, które chociaż kiedyś można odwiedzić.
- Ustalmy jedno, to nie jest czysta teoria. Zjawisko zostało zbadane i po raz pierwszy precyzyjnie jakościowo i ilościowo wyjaśnione. Teoria się potwierdza. Tak po prostu jest. Dotarliśmy do fundamentów fizyki. Udało nam się wyjaśnić dotąd niewyjaśnione. Otwiera to przed nami szereg kontaktów. Propozycje współpracy nadchodzą z całego świata, ostatnio z Japonii - podkreśla profesor. - Dziś możemy pokazać i wytłumaczyć scenariusz zjawisk dotąd dla ludzkości niezrozumiałych.
To jeszcze jedno głupie pytanie: Do czego wiedza ta może się przydać?
W tym przypadku odpowiedź jest zaskakująco jasna i konkretna.
- Już proponujemy diagnostykę plazmy wysokotemperaturowej w reaktorach termojądrowych, typu tokamak. Mało znane? To przyszłość ludzkości - zapewnia naukowiec. - Reaktorami termojądrowymi zajęli się najpierw Rosjanie w latach 50. Toroidalnaja Kamiera s Magnitnymi Katuszkami to coś zupełnie innego niż elektrownie jądrowe takie jak w Czarnobylu. Tu nie chodzi o rozszczepienie atomu, które trzeba hamować, trzymać pod kontrolą, ale wręcz odwrotnie - o syntezę, w tym przypadku, deuteru i trytu.
Uzyskać w ten sposób można energię znacznie większą niż podczas rozszczepienia atomu, a przy tym elektrownia jest bezpieczna. Ewentualny atak terrorystyczny czy też awaria może doprowadzić jedynie do powstrzymania reakcji, a nie wydostania się jej spod kontroli. Obecnie w największym europejskim reaktorze tego typu proces wytwarzania energii udaje się utrzymać zaledwie przez 30 sekund. Ale nie powstrzymuje to ludzkości przed inwestowaniem w kolejną podobną, ale znacznie większą elektrownię ITER, która ma kosztować 15 miliardów euro. Surowców do wytwarzania energii w ten sposób mamy bowiem na miliony lat, więc kierunek jest jasny. A toruńskie odkrycie tłumaczy wiele, umożliwia między innymi monitorowanie procesów zachodzących w plazmie.
Tu się gra fair
Skoro to tak ważne, to nie należy się spodziewać próby kradzieży pomysłu?
- Oczywiście, nie mamy patentu na zachowanie się fotonów i elektronów - żartuje Marek Polasik. - To byłby jakiś absurd. Ale skoro my pierwsi te zjawiska opisaliśmy w poważnym czasopiśmie naukowym, nikt inny nigdy tych osiągnięć sobie nie przypisze. W nauce, nie tak jak czasem w życiu, gra się fair.
Pracował zespół międzynarodowy
- Odkrycia dokonali naukowcy z Zakładu Spektroskopii Atomowej Wydziału Chemii UMK pod kierunkiem dr. hab. Marka Polasika, prof. UMK. W skład zespołu wchodzą: dr Katarzyna Słabkowska (UMK) oraz doktoranci z Wydziału Chemii UMK.
- Współpracują z nimi: dr Jacek Rzadkiewicz (Instytut Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy; Instytut Problemów Jądrowych w Świerku oraz EFDA-JET CSU, Oxfordshire (Wielka Brytania) oraz prof. Jean-Claude Dousse i dr Joanna Hoszowska (Uniwersytet we Fryburgu w Szwajcarii).
