Rögtön felvetődik a kérdés, hogyan kapcsolódik egymáshoz a röntgensugárzás és az atomi szerkezet. Miért kaphatunk vele információt az atomok térbeli elhelyezkedéséről? A válaszhoz tekintsük át először a mérés folyamatát. Mi kell egy méréshez? Természetesen a mérendő tárgy, a mérőeszköz és az ember, aki elvégzi a mérést. De ha például vonalzóval kell meghatároznunk egy hajszál vastagságát, bizony, bajba kerülünk, mert legfeljebb azt mondhatjuk, hogy a hajszál sokkal vékonyabb egy milliméternél. Ám mikrométerrel megadhatjuk a pontosabb eredményt: a hajszál vastagsága 50 mikron. Ez azonnal rávilágít arra, hogy a méréshez olyan vonalzót kell használni, amelynek beosztása, skálája finomabb, mint a mérendő távolság. Tehát felmerül a kérdés: milyen vonalzót használjunk az atomok közötti távolság mérésére? Tudjuk, hogy az atomok közötti távolság kicsi, de milyen kicsi? Az atomok közötti távolság a mikronnak (amely éppen látásunk határán van) a tízezred része. Ezért a fizikában gyakran használunk hullámokat vonalzóként.
Ha egy hullámban minden hullámhegy tetejéhez kis rovátkát képzelünk, akkor egyenletes vonalzót kapunk, amelynek beosztásai hullámhossz távolságra vannak. Ezzel a hullámhoszszal vetjük össze a mérendő távolságot. Ehhez a hullámok két fontos tulajdonságát használjuk: az objektumokról való visszaverődést, amelyet szakszóval szórásnak nevezünk, valamint a hullámok összeadhatóságát. Nézzük, ez utóbbi mit jelent.
Ha két hullám együtt fut – hullámhegy a hullámheggyel –, összegük kétszer olyan nagyságú hullám lesz. Ha azonban ellentétes fázissal – hullámhegy a hullámvölggyel – találkoznak, akkor teljesen kioltják egymást. A közbenső esetekben a két véglet közötti hullámokat kapunk. Ezt röviden úgy mondjuk, a hullámok összege attól függ, hogy egymáshoz képest milyen fázisban találkoznak. Hogyan használható ez a távolság méréséhez?
Válasszuk a legegyszerűbb rendszert, két objektumot, amelyekre beesik egy hullám. Ezek az objektumok a hullámnak egy részét szórják általában a tér minden irányába: van olyan irány, amelyben a két hullám éppen azonos fázissal találkozik, tehát egy nagy – kétegységnyi amplitúdójú – hullámot kapunk. Ha változtatjuk az irányt, a két szórt hullám relatív fázisa változik, ennek megfelelően más lesz az eredő hullám amplitúdója is. Hasonlóan változik a relatív fázis, ha a szöget rögzítjük és az objektumok távolságát változtatjuk. Végül rögzíthetjük a szöget és a távolságot is, és csak a mérő hullám hullámhosszát változtatjuk, ez is a két szórt hullám fázisai közötti különbségre vezet, ami az eredő hullám nagyságának megváltozását eredményezi. Vagyis a szóráskép, azaz a térbeli intenzitáseloszlás függ az atomok távolságától: a nagy, illetve kis intenzitású irányok ismeretében visszakövetkeztethetünk az objektumok távolságára.
A következő kérdés az, hogy milyen hullámot használjunk. A fény mint elektromágneses hullám nagyon jó lenne, hiszen látjuk, és könnyű előállítani. Azonban a 0,5 mikron hullámhossza az atomokat tekintve olyan, mintha hajszálat akarnánk mérni centiméteres beosztású vonalzóval, tehát nem megfelelő. Szerencsére elektromágneses hullámokat sokkal rövidebb hullámhosszúsággal is elő tudunk állítani, a tipikus atomi távolság nagyságrendjébe esik a röntgensugárzás. Tehát ez lesz a vonalzónk.
Persze a valódi rendszerekben nem két atom van, hanem sok. Ez nehezíti a megoldást, de a helyzet mégsem reménytelen, mert a természet a segítségünkre siet. Hogyan? Úgy, hogy az anyagok egy nagy csoportjában az atomok nem összevissza, hanem szép rendben helyezkednek el. Nagyon sok anyagunkat felépíthetjük úgy, hogy azonos kis térfogatelemeket (elemi cellákat) rakunk szorosan egymás mellé. Az azonos itt azt jelenti, hogy nemcsak az alakjuk azonos, hanem mindegyikben pontosan ugyanúgy helyezkednek el az atomok is. Az ilyen felépítésű anyagokat kristályoknak nevezzük. Az egyszerűség kedvéért tegyük fel, hogy ezek a cellák kis kockák. A legegyszerűbb szerkezet akkor adódik, ha a cellák közepébe egyetlen atomot helyezünk.
Miért előnyös számunkra egy ilyen rend? Mert ez esetben elég megadni annak a néhány atomnak a helyét, amely egyetlen elemi cellában található. A többi atom helyét már számítással megkaphatjuk, hiszen csak hozzá kell adni az első elemi cellában lévő atomok koordinátáihoz a cellaélnyi eltolásokat.
Részletes megfontolások és a mérések azt mutatják, hogy ez a kristályos rend tükröződik a szórásképben is. Az ilyen anyagok szórásképe is rácsot alkot, tehát a nagy intenzitású irányok úgy helyezkednek el, mint egy rács pontjaihoz húzott egyenesek közötti irányok. Az így kapott rács szoros kapcsolatban van az atomi ráccsal. Ez az egyszerűsítés, tehát az anyagok nagy részének kristályos volta teszi lehetővé az atomi szerkezet meghatározását. Egy mérés a következőképpen történik: a röntgenforrás sugárzásából kiválasztunk egy közel párhuzamos és egy adott hullámhosszal rendelkező (monokromatikus) nyalábot. Ez a kristályos mintára esik, amelyik szórja a röntgensugárzást. Ezt a szórt sugárzást detektáljuk, és feljegyezzük, hogy különböző irányokban milyen erős. Majd a kapott intenzitástérképből visszakövetkeztetünk az atomi rendre. Láthatjuk, hogy a mérési elrendezés három részre bontható: 1. röntgenforrás, 2. minta és a hozzá tartozó mozgató mechanizmus, 3. detektor és a kapcsolódó adatgyűjtő elektronika. Ezek közül a legkritikusabb és legspeciálisabb a röntgenforrás. Ennek minősége döntően befolyásolja, hogy milyen bonyolultságú szerkezetet tudunk meghatározni. Miért? Egy hasonlattal szeretném ezt megvilágítani.
Ha egy hangulatos vacsoránál ülünk, a gyertyafény is elegendő ahhoz, hogy a kanállal vagy a pohárral megtaláljuk a szánkat. De ha egy tűbe szeretnénk fűzni a cérnát, sokkal jobb fényforrásra van szükségünk, és ha mikroszkópon vizsgálunk egy kis tárgyat, akkor még erősebb, még jobban irányított fényforrást kell használnunk. Tehát az, hogy mennyi és milyen részletességű információt szerzünk a látás segítségével, nagymértékben függ a fényforrás minőségétől. Ugyanígy van ez a röntgensugárzás esetében is.
A hagyományos röntgenforrás lelke a röntgencső. Működése azon alapszik, hogy a gyorsuló töltések elektromágneses hullámokat sugároznak. Ezt a röntgencsőben úgy érjük el, hogy két fémelektróda közé nagyfeszültséget kapcsolunk, és a negatív elektródán elektronokat keltünk. Ezek a pozitív elektródák az anód felé közeledve egyre nagyobb sebességre tesznek szert, majd becsapódnak abba, és így hirtelen lefékeződnek. Eközben röntgensugárzást bocsátanak ki a tér minden irányba.
Ha visszagondolunk a mérési elrendezésre, akkor rögtön észreveszszük, hogy a keletkező röntgensugárzásból csak egészen keveset tudunk használni, mivel a méréshez közel párhuzamos nyaláb szükséges. Ezzel a viszonylag rossz hatásfokkal előállított nyalábbal is sok anyag atomi szerkezetét meg tudjuk határozni.
Ennél sokkal intenzívebb röntgenforrás az úgynevezett szinkrotron sugárforrás.
Gyorsuló töltések keltik ebben is a röntgensugárzást, azonban itt nem az anódba ütköznek kis üvegcsőben az elektronok, hanem hatalmas gyűrűben csaknem a fény sebességével keringenek. Mivel a körpályán mozgó test gyorsul, ezért ezek az elektronok is sugároznak.
Pontos számítások azt mutatják, hogy a sugárzás majdnem párhuzamos nyaláb formájában és igen nagy intenzitással történik. Így ezek a sugárforrások lehetővé teszik számos olyan probléma megoldását, amelyekhez hagyományos röntgenforrásokkal nem is érdemes hozzákezdeni. A leglátványosabbak talán az élő szervezetekkel kapcsolatos eredmények. Sok tízezer fehérje, sőt még vírusok szerkezetét is sikerült meghatározni. Mivel ezek hatása igen széles körű, a biológián, fizikán, kémián, orvostudományon keresztül egészen a régészetig sok tudományágra kiterjed, nem árt még néhány jellegzetességet elmondani róluk. A sugárzás nem folytonosan, hanem nagyon rövid (a másodperc milliomod részének tízezred része hosszúságú) impulzusokban érkezik a mintára. Ennek oka, hogy az elektronok nem folytonosan, hanem kis csomagokban haladnak a gyűrűben.
Ez az impulzus jelleg lehetőséget nyújt különböző folyamatok időbeni lefutásának vizsgálatára. Például megtudhatjuk, hogyan, milyen lépéseken keresztül kapcsolódik be az oxigén a hemoglobinba, vagy hogyan történik az olvadás, és még sok értékes információt nyerhetünk az anyagokban lezajló folyamatokról.
Eddig általánosságban beszéltem a szerkezetkutatásról. A következőkben szeretnék néhány szót szólni arról, mit is csinálunk mi a Szilárdtest-fizikai Kutatóintézet röntgendiffrakciós csoportjában. A rövid válasz az lenne, hogy sok mindent. Ebből a sok mindenből kettőt emelnék ki: az egyik egy néhány évvel ezelőtti eredményünk, a másik pedig olyan kutatás, amely a jövőbe mutat. Talán ismert a hallgatóság számára, hogy alig több mint tíz éve fedezték fel a szén új módosulatát, a zárt héjszerű fullerénmolekulákból felépülő anyagokat. A felfedezésért néhány éve adtak Nobel-díjat. Azóta sokat foglalkoztunk olyan anyagokkal, amelyek fullerénmolekulákat tartalmaznak. A legismertebb fullerénmolekula a focilabda alakú C60.
Önmagában is érdekes ez, de még ennél is érdekesebbek a vegyületei. Kutatócsoportunk többek között a C60 alkálifémekkel alkotott vegyületeivel is foglalkozott. Ezek közül többnek a szerkezetét mi határoztuk meg elsőként.
A röntgen-szerkezetkutatás egyik legalapvetőbb problémája jelenleg a sugárkárosodás. A mintára eső röntgensugárzás nemcsak rugalmas szórásfolyamatban vehet részt, amelyben a hullám nem veszít energiát a szórás folyamán, hanem olyan folyamatban is, amikor az atomoknak energiát ad át. Ezek a rugalmatlan szórások. Azonban ilyenkor az anyagnak átadott energia roncsolja a mintát, az atomok kimozdulhatnak helyükről, kémiai kötések szakadhatnak fel. Ez azt jelenti, hogy mérés közben megváltozik a minta, tehát annak eredeti szerkezetét nem tudjuk meghatározni. De a minta kristályos volta itt ismét segítségünkre van, ugyanis a sugárzás a minta legkülönbözőbb helyein, tehát más és más elemi cellában véletlenszerűen más és más atomot mozdít el. Továbbá az egész mérés alatt csak az elemi cellák kis részében keletkezik hiba. A mérés a sok elemi cella átlagát látja, ez pedig a véletlenszerű hibakeltés miatt megegyezik a cellában található eredeti atomi elrendeződéssel. De mit tegyünk akkor, ha a vizsgálni kívánt egyedi részecskék – egy molekula, egy fématomokból álló atomfürt vagy éppen egy vírus – nem akarnak szép sorba rendeződni, tehát nem tudunk kristályt növesztetni? Ha csak egyetlenegy részecskénk van, akkor nyilvánvaló, hogy a legkisebb sugárkárosodás is torzítja a mérés eredményét. Sajnos a rugalmatlan szórás valószínűségét nem tudjuk lényegesen befolyásolni, tehát sugárkárosodás mindig van. Úgy tűnik, itt megakadtunk, kicsiny egyedi részecske atomi szintű szerkezetét nem tudjuk meghatározni. De a kutatók nem adják fel egykönnyen. A következőkben egy magyar származású, Uppsalában dolgozó kollégánk, Hajdú János ötletét mutatom be, akivel jelenleg is együtt dolgozunk. Ez az ötlet reményt nyújt az egyedi részecskék szerkezetének meghatározására.
A méréshez használt röntgenhullámok némelyike rugalmasan szóródik, mások pedig rugalmatlanul, vagyis kiütnek egy-egy elektront. Így az atomok egy része ionizálódik, pozitív töltésű lesz. Ezek a pozitív töltések taszítják egymást, ezért egyre gyorsulva elmozdulnak a helyükről. A minta szétrobban. Ezért nem tudjuk meghatározni a szerkezetet. Nos, Hajdú János ötlete, hogy olyan gyorsan kell lemérnünk a szerkezetet, hogy az atomoknak ne legyen idejük elmozdulni. Ez igen egyszerűen hangzik, azonban ha megbecsüljük, hogy milyen rövid ez az idő, azt kapjuk, hogy az a másodperc milliárdod részének a milliomod része. Ez azt jelenti, hogy ilyen rövid röntgenimpulzusokkal kellene mérni, és az adatokat ilyen gyorsan begyűjteni. Jelenleg semmilyen mód nincs ilyen gyors mérésre. Ennek ellenére a fenti ötlet nem légből kapott. Azokon az úgynevezett negyedik generációs röntgenforrásokon alapul, amelyeket napjainkban kezdenek építeni, és az elsőt 2008-ban Standfordban, a másodikat pedig 2012-ben Hamburgban helyezik üzembe. Ezek röntgenlézerek, pontosan fogalmazva röntgen-szabadelektronlézerek: több kilométer vagy inkább több tíz kilométer hosszú lineáris elektrongyorsítók, amelyeknek a végén olyan egység van, amely az elektronokat hullámmozgásra készteti, így ezek gyorsulnak és ennek megfelelően sugároznak.
Az anyag atomi szerkezetének gondolata egészen az ókorig nyúlik vissza. Azonban az emberi kíváncsiság, a természet megértésére való kitartó törekvés csak a múlt században vezetett el a valódi atomi rend megismeréséhez. A természet működésének megértése, az új ismeretek szerzése iránti igény az emberekben ösztönös. Ma úgy nevezzük ezt, hogy alapkutatás. Ez a megértés az emberi szabadság záloga is. Hiszen akkor tudunk optimálisan cselekedni, a természet erőit saját javunkra fordítani, és akkor nem vezetnek minket az orrunknál fogva, ha értjük a körülöttünk lévő világ működését.
A fenti szöveg a február 7-én elhangzott előadás rövidített változata. Megtekinthető 12-én (szombaton) 9.40-kor a Duna Televízió és 13-án (vasárnap) 13.50-kor az MTV, valamint 23 órakor az M 2 műsorán. A következő előadást február 14-én 19.30-kor a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Kozma László termében (Budapest XI., Magyar tudósok körútja 2.) Száz János tartja Talált pénz – opciók a mindennapokban és a pénzügyi piacokon címmel. A részvétel ingyenes, az előadások teljes szövegét a hozzászólásokkal és a vitával együtt a www.mindentudas.hu weblapon találják meg az érdeklődők.
origo.hu
77 éves lenne Cserháti Zsuzsa – fia elárulta, miért nem jár a sírhoz
