Fizikai Szemle 2001/2. 53.o.

AZ ATOMFIZIKA HELYE ÉS SZEREPE A TUDOMÁNYBAN ÉS A GYAKORLATBAN

Berényi Dénes
ATOMKI, Debrecen

Az atomfizika kibontakozása

Lehet-e ma úgy élni, hogy valaki laposnak és a világ mindenség középpontjában lévőnek tartja a Földet? Amennyire nyilvánvaló, hogy ez a 20. században képtelenség, annyira természetesnek tekinthető, hogy egy mai átlagembernek sem elég csak annyit tudni az atomról, mint a régi görögök.

Az atomnak, mint az anyag oszthatatlan legkisebb részének a fogalma nagyon régi. A görög filozófiában ezek az atomok, mint geometriai idomok szerepeltek. A velük kapcsolatos elgondolások nélkülöztek minden kísérleti alapot, kizárólag filozófiai meggondolásokon alapultak.

A modern atomfogalom a 19. század elejére vezethető vissza, amikor is Dalton a kémiai reakciók tanulmányozása során szerzett kísérleti tapasztalatok alapján feltételezte az atomok létezését. Mielőtt ezekre vonatkozóan közvetlen kísérleti tapasztalatot szereztünk volna, a 19. század végén felfedezték az elektromosság atomját, az elektront és a 20. század elején pedig a fény atomját, illetve az energia atomját: a fotont és az energiakvantumot.

Közben szaporodtak a kísérleti adatok és kialakult a Bohr-Rutherford-féle atommodell. Ez ugyan szemléletes volt, de hamarosan kiderült, hogy a kísérleti adatokat nem tudja megfelelően értelmezni. Ehhez a 20. század húszas éveiben kialakult kvantummechanikára volt szükség.

A kvantummechanika a newtoni mechanika determinizmusa helyett valószínűségekkel dolgozik, és a mérések pontosságára vonatkozóan pedig elvi határt állapít meg. Röviden: "A kvantummechanika szerint az atomi elektronok mozgását egy valószínűség-eloszlási függvény írja le, amely megadja annak valószínűségét, hogy a mérés az elektront egy meghatározott állapotban találja. Amíg ezt a mérést végre nem hajtjuk, az elektron egy olyan térben elkent felhőhöz hasonlítható, amelynek sűrűsége minden pontban arányos annak valószínűségével, hogy az elektront éppen ott találjuk."

A fentiek fényében azt is hangsúlyoznunk kell, hogy az atom nevét meghazudtolva (ismeretesen "atomosz" görögül oszthatatlant jelent) tovább bontható. Igaz, hogy ekkor már nem hordozza annak az elemnek a tulajdonságait, amelynek az atomjáról szó van. A mai terminológia szerint az atomfizika az atomburok fizikáját jelenti, azaz az atommagot körülvevő elektronokra vonatkozó jelenségekkel foglalkozik, amelyekben csak a Coulomb-erő működik, az atommag csak mint ennek a Coulomb-erőnek a központi forrása játszik szerepet.

A magfizika tárgya viszont az atommag jelenségeinek a vizsgálata, amelyben a magerőknek van döntő szerepe. Nemcsak a mindennapi életben, de sok tekintetben még szakmai körökben, illetve szakszövegekben is helytelenül használjuk az atom fogalmát, például amikor atomreaktorról, vagy atombombáról beszélünk. Ez utóbbi esetekben az atommagnak van döntő szerepe, ezért helyesen nukleáris reaktorról, nukleáris bombáról kellene beszélnünk.

Végül szólnunk kell arról is, hogy mint általában a tudományágak határai, az atomfizikának a határai is nagyon elmosódottak. Ha például az atomok egy szilárdtest felületén helyezkednek el vagy egy szilárdtestbe be vannak zárva, akkor részben atomfizikáról, részben felületfizikáról, illetve szilárdtestfizikáról, esetleg anyagtudományról van szó. A felületfizika viszont sok esetben nehezen választható el a felületkémiától. Az atomok viselkedésének az élő anyagban is nagy jelentősége lehet és ekkor a biológia-jelenségekkel kerülhet átfedésbe az atomfizika.

"Élő" atomfizika

A legújabb eredmények közül először az atomkulát szeretném megemlíteni [1]. Az Európai Részecskefizikai Kutatóintézetben (CERN), Genfben 2 MeV-os antiprotonokkal bombáztak He atomokat. Így jött létre egy olyan atom, amelyben a He egyik elektronját egy antiproton helyettesíti (az antiproton tömege megegyezik a protonéval, de töltése negatív). A létrejött új atom különös képződmény (sematikus képét az 1. ábra mutatja), mert az egy különleges atomnak tekinthető (amint azt fentebb leírtuk), de tekinthető egy molekulának is, hiszen a He atommagját és az antiprotont (amelyik szintén tulajdonképpen egy atommag), egy elektronfelhő veszi körül (tudniillik a He egyik elektronja). Innen a név, atomkula: ez atom is, molekula is. Nyilvánvaló, hogy ez a jelenség az atomfizika és a részecskefizika határterületén helyezkedik el, vizsgálatából mind az atomra, mind az elemi részecskékre vonatkozóan szerezhetünk új ismereteket.

1. ábra. Az atomkula vázlatos rajza (további információra vonatkozóan lásd a szöveget).

A Bose-Einstein-kondenzációt az utóbbi években, több laboratóriumban is sikerült megvalósítani, mindenekelőtt ⁸⁷Ru és ⁷Li esetében [2]. Itt arról van szó, hogy minden kvantummechanikai részecskéhez, így az atomokhoz is egy hullámhossz rendelhető. Minél kisebb az atom mozgási energiája, azaz minél alacsonyabb a hőmérséklet, annál hosszabb ez a hullámhossz. Egy bizonyos hőmérséklet alatt (10-100 nanokelvin) ez a hullámhossz nagyobb lesz, mint az atom mérete, így nagyszámú atom "összeolvadva", egy makroszkopikus atomi képződményt hoz létre, amelyben sok ezer atom van. Magát a jelenséget Bose és Einstein már évtizedekkel ezelőtt megjósolta. Ezektől a kutatásoktól remélhető a kvantummechanika és a makroszkopikus fizika közötti átmenet jobb megismerése, továbbá a szupravezetés és a szuprafolyékonyság alaposabb megértése. Megemlitem, hogy a legújabb eredmény itt az úgynevezett atomlézer létrehozása a Bose-Einstein-kondenzáció felhasználásával, amely a lézerhez hasonlóan nagyon jól definiált, koherens atomnyalábot szolgáltat.

2. ábra. Az üres atom létrejöttének és lecsengésének különböző fázisai, kezdve az erősen ionizált nehéz ion súrlódó beeséssel szilárdtest felületére történő beérkezésétől (A) addig a fázisig (D), amelyben az üres atom a szilárdtest belsejében "normális" ionná, illetve atommá alakul át.

Az atomi holográfiában magyar kutatók (Faigel Gyula és Tegze Miklós) értek el úttörő eredményt [3]. Ismeretes, hogy a holográfia jelensége azt jelenti, hogy a hullámzásnak az intenzitásán (a hullám amplitúdó magassága) és hullámhosszán kívül kihasználjuk egy harmadik tulajdonságát, a fázisát is, hogy a hullámhegy hullámheggyel, vagy hullámvölggyel találkozik. Tekintve, hogy az atomot hullámzásnak is felfoghatjuk, az atomi holográfia is megvalósítható. A fenti kutatóknak ez úgy sikerült, hogy SrTiO₃ egykristályban a stronciumot röntgen-sugárzás kibocsátására késztették, majd az eredeti és az egyes atomokon szóródott röntgen-sugárzást interferáltatták. Így az atomok térbeli elhelyezkedéséről közvetlen információt nyerhetünk. A módszer előtt igen nagy távlatok állnak, például az egyre jobb paraméterekkel rendelkező szinkrotron-sugárzás bekapcsolásával ilyen irányú vizsgálatokba. Itt az atomfizika és a szilárdtestfizika határterületéről van szó.

Ha alacsony energiájú sokszorosan ionizált nehézionok súrlódó beeséssel esnek szilárdtest felületére, akkor üres atomok jönnek létre [4]. Ezeknél a belső héjak üresek, az elektronok mind a külső héjakon foglalnak helyet. A 2. ábra mutatja, hogy az erősen ionizált nehézion a szilárdtest-felületről elektronokat fog be a külső héjakra, és ezek csak a későbbiek folyamán a szilárdtestbe behatolva rendeződnek el szokásos módon az atomi héjakon: Ebben a jelenségben az atomfizika a felületfizikával jut átfedésbe és tanulmányozása révén mind az atom egy különleges állapotáról, mind a szóban forgó felületről szerezhetünk ismereteket.

Megemlítjük még az úgynevezett atom- és ioncsapdákat, amelyben kevés vagy akár szélső esetben egy atomot vagy iont is hosszú ideig egy bizonyos térrészre korlátozhatunk. Ilyen csapdák segítségével, például igen nagy, 10^-15 relatív pontossággal sikerült az időegységet definiálni. Ezekkel a csapdákkal kapcsolatos az 1997. évi Nobel-díj is.

3. ábra. A cink-tartalom eloszlása cinkkel ötvözött A1 mintában.

Szólnunk kell arról is, hogy a kvantummechanika legalapvetőbb kérdéseiről igen fontos és különleges technikát igénylő kutatások folynak. Ilyenek voltak például az Einstein-Rosen-Podolski-paradoxonra vonatkozó kísérletek. (Einstein és munkatársai annak idején gondolatkísérlettel vonták kétségbe a kvantummechanika teljességét, pontosabban teljes körű érvényességét jelen formájában.) Ugyancsak a kvantummechanika alapjait érintik a legutóbbi években a teleportálásra vonatkozó kísérletek. Mindezek arra mutatnak, hogy bár a kvantummechanika matematikailag minden probléma nélkül leírja a kísérleti eredményeket, értelmezésében még mindig számos olyan probléma van, amely nem tekinthető lezártnak.

Alkalmazások és a jövő

A cím együttesen utal az alkalmazásokra és a jövő kutatási feladataira. Ezt az indokolja, hogy az atomfizikai eredményeket rendkívül széles körben alkalmazzák már jelenleg is más tudományokban és a gyakorlatban, de a további lehetőségek és elvégzendő feladatok terén még igen sok a teendő. Ugyanakkor az atomfizika jövőjét távolról sem csak az alkalmazások jelentik.

Az alkalmazásokról szólva mindenekelőtt az asztro- és atmoszférikus fizikát (meteorológia) kell megemlítenünk, mert a magas légkörben, de még a világűrben is az atomi- és ionfolyamatoknak nagy a jelentősége. A biológiában és az orvostudományban is számos jelenség atomi folyamatokra vezethető vissza. Gondoljunk a sugárhatásokra vagy ezek mérésére, a dozimetriára: A modern anyagvizsgálati módszereknek igen nagy része atomfizikai jelenségen alapszik. Nem hagyhatjuk említés nélkül a nukleáris fúzióval történő energiatermelésre vonatkozó kísérleteket sem.

A továbbiakban a rendkívül nagyszámú lehetőség közül egy-két konkrét példát hoznék az alkalmazások köréből. Ha kis százalékarányú cinkkel ötvözünk alumíniumot, protonbesugárzásos röntgen analízis (PIXE) mutatja, hogy a cink a felületen sokkal kisebb koncentrációban van jelen, mint a tömbi anyagban (3. ábra). Ezeket a vizsgálatokat az ATOMKI munkatársai végezték Debrecenben) [5]. 1. táblázatunk egy hasonló módszerrel végzett vizsgálat eredményét mutatja, amelyben nyomelem-koncentrációt mértek paradicsomban [6]. A nyomelemeknek manapság nagy szerepe van mind a táplálkozásban, mind a technikában. A harmadik példa más területre vezet minket.

1. táblázat
Paradicsom nyomelem-koncentrációja milliomodrésznyi mennyiségben (ppm) [6]
Fe	2,5 0,4
Cu	0,85 0,13
Zn	0,90 0,14
Cd	13 5
Sn	57 13
Pb	1,7 0,4

 

2. táblázat
Primerköri acél minták (paksi erőmű) XPS mélységi analízisének eredményei alapján becsült effektív oxidréteg vastagságok, illetve a komponensek oxidrétegbeni feldúsulásának maximális értékei [7]
Minta (dekontamináló ciklus)	Effektív rétegvastagság (nm)	Maximális feldúsulás a kiindulási állapothoz képest
		Cr-ra	Ni-re
passzivált	2,0	4,5x	1,3x
I.	2,4	15,2x	1,7x
II.	1,8	11,1x	2,0x
III.	1,5	13,0x	1,8x
IV.-V.	3,9	5,4x	1,9x

Az ATOMKI munkatársai (Varga Dezső, Kövér László és mások) [7] kiindulva az atomfizikai vizsgálatokban használt műszerekből (elektronspektrométerek) olyan komplex felületvizsgáló rendszert fejlesztettek ki és építettek meg az intézetben (4. ábra), amellyel lehetővé váltak bizonyos fontos mérések a Paksi Nukleáris Erőmű részére. Ismeretes, hogy a primérkörben időnként úgynevezett dekontaminációs (a radioaktivitást kitisztító) eljárásokat kell végrehajtani. A kérdés az volt, hogy vajon egy ilyen eljárás mennyiben befolyásolja a rozsdamentes acélok felületének korrózióállóságát. Ez utóbbi annál jobb, minél tömörebb és vékonyabb az összefüggő felületi réteg és krómban, nikkelben minél dúsabb. A 2. táblázatból látható, hogy a dekontaminálási ciklusok után az eredeti passzivált réteghez képest sem a rétegvastagság, sem a króm- és nikkel-tartalom nem változik kedvezőtlenül (a Cr és Ni feldúsulás még a IV. és V. ciklus után is jobb a kiinduló állapotnál).

Ígéretes területet jelent a dinamikus atomfizika, amelyek tartománya a nanoelektronvolttól a gigaelektronvoltig számos nagyságrendet átfog és amelyet hazánkban főleg Debrecenben az ATOMKI-ban művelnek. Ez tulajdonképpen az atomok és ionok ütközéseinek a vizsgálatát jelenti (sőt ideszámítjuk az atomok és ionok ütközését elektronokkal és fotonokkal is). Ilyen kutatások során végrehajtható például semleges-semleges atomok vagy ion-ion ütközések tanulmányozása, de negatív ion-atom ütközéseket is létre lehet hozni. A mai technikával igen nehéz atomokat (urán, arany stb.) igen erősen ionizált állapotban is létre lehet hozni. A nehézion-tároló gyűrűkben hosszú ideig, napokig vagy még hosszabb ideig lehet keringetni nehézionokat, amelyek egy-egy célanyagon igen sokszor áthatolnak, azzal tehát többszörösen is kölcsönhatásba lépnek. Itt valósítható meg az is, hogy a nehézionnyaláb hosszabb távon, akár egy méteren át együtt haladjon egy belőtt másik nyalábbal, és így lépjenek egymással kölcsönhatásba.

4. ábra Az ATOMKI-ban kifejlesztett komplex felületvizsgáló berendezés fényképe [7].

Az igen alacsony energiájú alacsony hőmérsékleten létrejövő ütközések különösen érdekesek, új megközelítési lehetőséget nyújthatnak a kémiai reakciókhoz is. Az igen nagy energiájú nehézion ütközések különös jelenségeket produkálnak, például olyan pozitron-spektrumot, amelynek az értelmezése ma is hiányzik. Az erősen ionizált nehézatomok felhasználásával új lehetőség nyílik az elektrodinamika ellenőrzésére, a Lamb-eltolódás tanulmányozására, amely degenerált atomi állapotok felhasadását jelenti. A Lamb-eltolódás az atomfizika és az alapvető kölcsönhatások fizikájának átfedő területe, hasonlóan azokhoz az atomokhoz, amelyekben az elektronburokban egy müon vagy mezon egy elektront helyettesít.

Az atomfizika jövőjével kapcsolatosan végül szeretnék idézni az Egyesült Államok kormánya számára egy szakértő csoport által 1991-ben készült jelentésből:

"Az atomi rendszerek laboratóriumot biztosítanak olyan alapvető kérdések megvizsgálására a , fizikában, mint a kvantumelektrodinamika új oldalról történő tesztelése, a kölcsönhatások kutatása az antianyaggal, továbbá a paritássértésnek, a kvantum- és klasszikus káosznak és a néhány-test kvantumdinamikájának vizsgálata. A mai témák ezen a területen az egyes atom, fizikájától a felületi kölcsönhatásokig és az ütközésektől millikelvin foknál a relativisztikus ütközésekig terjednek. Az atomfizikának intellektuálisan izgalmas jövője van."

Irodalom

1. J. EADES - Europhys. News 24 (1993) 172
2. C. TOWSEND, W. KETTERLE, S. STRINGARI - Phys. World, March 1997, p. 29
3. G. FAIGEL, M. TEGZE - Europhys. News 27 (1996) 179
4. J.-P. BRIAND ÉS MTÁRSAI - Nucl. Instr. Meth. BI54 (1999) 166
5. J. VÉGH és MTÁRSAI. - Nucl. Instr. Meth. 153 (1978) 553
6. K. ISHII és MTÁRSAI - Nucl. Instr. Meth. 126 (1975) 75
7. KÖVÉR LÁSZLÓ ÉS MTÁRSAI. - magánközlés

______________________

Elhangzott az MTA 2000. májusi közgyűléséhez kapcsolódó tudományos ülésszakon.