Wiedza i Życie 03/2016
W numerze m.in.:
Technika
Aerożele i nanopianki – materiały przyszłości; Mirosław Dworniczak

Muzyka
Wolfgang Amadeusz Mikroprocesor; Paweł Franczak

Energetyka
Prąd z gorących mórz; Andrzej Hołdys

Ornitologia
Niezwykły wapienny kokon; Radosław Kożuszek

Historia
Wybitne, lecz mało znane; Mirosław Dworniczak

W dawnych czasach, kiedy statki w niewyjaśniony sposób znikały bez śladu, winą często obarczano wielkie monstra z dna oceanu. Obecnie w internecie można znaleźć masę zdjęć wyrzuconych na plażę morskich istot o przedziwnym kształcie w stanie na tyle posuniętego rozkładu, że właściwie ich identyfikacja jest  niemożliwa. Czym one są?
Wywiad z dr n. med. Ewą Kempisty-Jeznach, lekarzem medycyny męskiej
Wszystko zaczęło się 25 lat temu, gdy w stronę Jowisza poleciała słynna sonda Galileo, która pierwsza w historii zbliżyła się do planetoidy. Potem kolejne sondy badały niezwykły świat planetoid i planetek, a na niektórych nawet lądowały.
Aktualne numery
02/2017
01/2017
Kalendarium
Styczeń
25
W 1983 r. wystrzelono amerykańsko-europejskiego satelitę IRAS, pierwszego przeznaczonego do badań promieniowania podczerwonego.
Warto przeczytać
Zmyl trop to użyteczna, ale i pełna powabu oraz przekonująca, kieszonkowa esencja wszystkiego, co chcielibyście wiedzieć o obronie przed inwigilacją.

WSPÓŁPRACUJEMY
Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Jarosław Chrostowski | dodano: 2012-06-13
Fantastyczne światło

Nowy typ laserów zrewolucjonizuje naukę. Wreszcie możemy filmować zjawiska zachodzące w świecie atomów i cząsteczek i oglądać, jak naprawdę działa świat.

W czasach rozkwitu cywilizacji hellenistycznej, niemal dwa i pół tysiąca lat temu, narodziła się niezwykła idea. Prawdopodobnie pierwszy, w V wieku p.n.e., wypowiedział ją Leukippos z Miletu, a za nim jego uczeń, Demokryt z Abdery. Świat, ich zdaniem, miał się składać z bardzo małych, niepodzielnych drobin - atomów. Starożytna hipoteza przerodziła się w teorię naukową dopiero w początkach XIX wieku, gdy John Dalton sformułował podstawy atomistycznego opisu budowy materii. Od tej chwili nastąpił gwałtowny rozwój chemii, nauki, której zawdzięczamy leki, tworzywa sztuczne, paliwa, nawozy, detergenty, farby, kleje i wiele innych substancji niezbędnych dla życia współczesnego człowieka. Sukcesy chemii zadziwiają, zwłaszcza gdy uświadomimy sobie, że przez niemal dwa stulecia najbardziej dynamicznego rozwoju tej dziedziny nauki jej fundamentalne "cegiełki" - atomy - wciąż pozostawały tworami teoretycznymi, obserwowanymi jedynie w sposób pośredni. Po raz pierwszy na własne oczy zobaczyliśmy je dopiero w latach 70. ubiegłego wieku, gdy powstały dostatecznie dobre skaningowe mikroskopy elektronowe.

Zdjęcia pojedynczych atomów były wielkim sukcesem, lecz przedstawiały statyczny obraz mikroświata. Na pytanie, jak na poziomie atomowym przebiegają reakcje chemiczne, nadal mogli odpowiedzieć tylko teoretycy. Przyczyna leżała w fakcie, że czas, w jakim reorganizują się elektrony w atomach i cząsteczkach uczestniczących w reakcji chemicznej, jest liczony w femtosekundach (1 fs = 10-15 s). Femtosekunda to chwila tak krótka, że gdyby rozciągnąć ją do jednej sekundy, ta - proporcjonalnie - musiałaby trwać ponad 30 mln lat. Czy w ogóle można bezpośrednio obserwować dynamikę zjawisk dziejących się w tak krótkich skalach czasowych?

Tym, czym dla obserwacji atomów był skaningowy mikroskop elektronowy, tym dla oglądania przebiegu reakcji chemicznych są lasery na swobodnych elektronach (Free Electron Laser, FEL). Dzięki powstającym za ich pomocą obrazom dyfrakcyjnym możemy w czasie rzeczywistym obserwować zmiany zachodzące w przestrzennej strukturze cząsteczek, analizować transfer ładunków między atomami i cząsteczkami oraz śledzić procesy reorganizacji elektronów w powłokach. Co więcej, dzięki spójności światła można otrzymać obrazy 3D, podobnie jak w holografii. Ale zanim zdobyliśmy te umiejętności, fizyka musiała przejść długą drogę.

Od szkodnika do gwiazdy

Lasery na swobodnych elektronach są nazywane źródłami promieniowania synchrotronowego czwartej generacji. Czym jest promieniowanie synchrotronowe? Gdy naładowana cząstka, np. elektron, porusza się w polu magnetycznym z prędkością zbliżoną do prędkości światła (relatywistyczną), doznaje gwałtownych przyspieszeń, które są odpowiedzialne za zmianę kierunku jej ruchu. Sytuację tę opisuje elektrodynamika klasyczna, która przewiduje, że każda naładowana cząstka poruszająca się z przyspieszeniem jest źródłem promieniowania elektromagnetycznego, nazywanego w tym przypadku synchrotronowym.

W przyrodzie źródłami promieniowania synchrotronowego jest większość galaktyk, gdzie za emisję, głównie na częstotliwościach radiowych, odpowiadają wysokoenergetyczne elektrony pochodzące z wybuchów supernowych, zmieniające w międzygwiezdnych polach magnetycznych kierunki ruchu (a więc doznające przyspieszeń). Pojawia się ono także w dżetach - strugach materii emitowanych z jąder galaktyk i biegunów czarnych dziur - oraz w okolicach pulsarów. Na Ziemi wystąpiło po raz pierwszy w 1947 roku, gdy w USA zaobserwowano je w akceleratorze kołowym firmy General Electric. Co ciekawe, wówczas promieniowanie synchrotronowe było traktowane wyłącznie jako uciążliwa przeszkoda, utrudniająca osiąganie dużych energii przez cząstki rozpędzane w laboratoriach. Dopiero pod koniec następnego dziesięciolecia zaczęto zdawać sobie sprawę, że tę niechcianą emisję można z powodzeniem wykorzystać w badaniach nad strukturą materii, w tym nad stanami o wysokiej gęstości i temperaturze.

Najpierw: rozchybotać!

Ponieważ moc promieniowania synchrotronowego jest odwrotnie proporcjonalna do masy spoczynkowej cząstki, im ta ostatnia mniejsza, tym lepiej. Najlepszymi kandydatami są więc elektrony i pozytony. Te ostatnie to cząstki antymaterialne, w naszym otoczeniu występujące w niewielkich ilościach. Dlatego najlepiej postawić na wszechobecne elektrony.

W tradycyjnych synchrotronach elektrony są wstępnie rozpędzane w akceleratorze liniowym, a następnie przyspieszane w kolistym tunelu z ultrawysoką próżnią, zwanym pierścieniem akumulującym, w którym pola elektryczne i magnetyczne zmieniają się w taki sposób, aby utrzymać cząstki cały czas wewnątrz urządzenia (przy czym maksymalna wartość indukcji pola magnetycznego determinuje promień pierścienia). Próżnia jest niezbędna, aby elektrony nie rozpraszały się na cząsteczkach gazu. Rozpędzone do prędkości relatywistycznych elektrony zazwyczaj kierowano między bieguny silnego magnesu, gdzie doznawały gwałtownego odchylenia i emitowały promieniowanie.

Obecnie wiązkę elektronów wprowadza się nie do pojedynczego magnesu, lecz do specjalnych urządzeń składających się z całego zestawu naprzemiennie zorientowanych magnesów, ustawionych w długi szereg. Są to tzw. wigglery lub undulatory, przy czym te ostatnie zawierają więcej magnesów i - jak się za chwilę przekonamy - pozwalają uzyskać promieniowanie monochromatyczne (wigglery dają widmo ciągłe). Elektrony przelatujące przez zespoły magnesów zaczynają się "zataczać" - raz skręcają w jedną stronę, raz w drugą, zależnie od orientacji lokalnego pola magnetycznego. Ten chybotliwy ruch prowadzi do emisji promieniowania synchrotronowego. Bardzo ważny jest przy tym fakt, że z punktu widzenia elektronu undulator doznaje relatywistycznego skrócenia długości. Elektron "widzi" więc magnesy w taki sposób, jakby znajdowały się znacznie bliżej siebie, i zaczyna oscylować z dużą częstotliwością, co ma istotny wpływ na długość fali emitowanego promieniowania synchrotronowego. Dzięki relatywistycznemu efektowi dopplerowskiemu w laboratorium częstotliwość promieniowania wzrasta aż o trzy rzędy wielkości.

Budowane współcześnie lasery na swobodnych elektronach są zazwyczaj akceleratorami liniowymi, w których elektrony tracą energię w długich zespołach undulatorów (taką budowę miał m.in. pierwszy rentgenowski laser na swobodnych elektronach FLASH, który uruchomiono w 2005 roku w ośrodku Niemieckiego Synchrotronu Elektronowego DESY w Hamburgu). Wykorzystuje się tu efekt samowzmacniającej się emisji spontanicznej (Self Amplified Spontaneous Emission, SASE). Elektrony, podróżując przez undulatory, emitują światło, które - jako promieniowanie elektromagnetyczne - oddziałuje z elektronami. W wyniku tego oddziaływania cząstki znajdujące się w fazie z polem elektromagnetycznym są hamowane, a niezgodne w fazie - przyspieszane. W dostatecznie długich undulatorach proces prowadzi do "zorganizowania" elektronów, które grupują się w tzw. zgęstki elektronowe, gdzie emitują zgodne w fazie promieniowanie o założonej długości fali.

Skolimować - lecz jak?

Laser FEL potrafi się więc sam skalibrować. Lecz skąd bierze się skupienie (kolimacja) wiązki? Przyjrzyjmy się klasycznemu laserowi (nazwa pochodzi od angielskiego terminu Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), który jest urządzeniem generującym spójną wiązkę światła monochromatycznego. Aby działał, za pomocą pompowania (optycznego przez błysk lampy lub innego lasera, elektrycznego wskutek przepływu prądu w gazie lub wstrzelenie elektronów itp.) doprowadza się do powstania inwersji stanów w ośrodku czynnym, czyli sytuacji, w której w ośrodku mamy więcej atomów w stanie wzbudzonym niż w podstawowym. W tych warunkach zachodzi akcja laserowa - przejściu związanych w atomach elektronów do niższego stanu energetycznego towarzyszy gwałtowna emisja promieniowania o tej samej, charakterystycznej dla danego ośrodka długości fali. Aby uzyskać wiązkę laserową, potrzebujemy czegoś jeszcze: rezonatora optycznego. Zazwyczaj jest to układ dwóch luster, z których przynajmniej jedno jest częściowo przepuszczalne. Rezonator ma za zadanie wzmocnić światło o określonym kierunku i długości fali. Rezonatory są stosowane także w laserach FEL, lecz tylko tych, które emitują promieniowanie widzialne i podczerwone. W przypadku promieniowania rentgenowskiego pojawia się istotny problem: dla tego zakresu fal nie potrafimy budować zwierciadeł!

W tej sytuacji naukowcom pozostało sprytnie wykorzystać... budowę czasoprzestrzeni.