VI. szemeszter, 3. előadás - 2005. február 7.

FAIGEL GYULA

MIRE JÓ A RÖNTGENVONALZÓ? - AZ ATOMI SZERKEZET MEGHATÁROZÁSA RÖNTGENSUGÁRZÁSSAL

A mai technikai civilizációnkban mind több és mind kifinomultabb eszközöket használunk. Az ezeket felépítő anyagok tulajdonságait egyre pontosabban kell ismerni, és képesnek kell lenni arra, hogy a tulajdonságokat az igényekhez igazítsuk. Mivel a tulajdonságokat alapvetően meghatározza az alkotó atomok milyensége és térbeli rendje - vagyis az atomi szerkezet -, ennek pontos ismerete elengedhetetlen ahhoz, hogy jó és megbízható gépkocsikat, elektronikus eszközöket vagy éppen orvosságokat állítsunk elő. A kérdés fontosságát talán az is mutatja, hogy az elmúlt 100 évben számos módszert dolgoztak ki az atomi szerkezet meghatározására. Ezek közül a legszélesebb körben elterjedt a röntgensugárzással való szerkezetmeghatározás. Az ezzel kapcsolatos kísérleti és elméleti munkákért 9 Nobel-díjat adtak. Az előadás keretében bemutatjuk a röntgensugárzással való atomi szerkezetmeghatározás alapelveit, nehézségeit, és kitérünk a jövőbeli lehetőségekre is.

I. BEVEZETÉS

Ha felteszem a kérdést: melyik érzékszervünkön keresztül kapjuk környezetünkről a legtöbb információt, azt hiszem, rövid gondolkodás után a nagy többség azt válaszolja, hogy a szemünkön keresztül. A testek térbeli elhelyezkedése és milyensége alapvető jellemzője környezetünknek, ezek az információk majdhogynem elengedhetetlenek a világban való boldogulásunkhoz. A fenti megállapítás nemcsak a látható világban, a makroszkopikus objektumok esetén érvényes, hanem a mikrovilágban - vagy manapság divatosan: a nanovilágban -, az atomok szintjén is. Ugyanis a minket körülvevő anyagok jellegzetes tulajdonságai a bennük található atomi renddel szoros kapcsolatban vannak. 

Az atomi rend pontos ismerete különösen fontos korunk technikai civilizációja számára, melyben mind több és mind kifinomultabb eszközöket, tárgyakat használunk. Vegyük például gyógyszereinket. Ezek hatásmechanizmusát akkor tudjuk teljes mélységében megérteni, ha egészen az atomi szintig követjük az átalakulásokat, amelyekkel a hatóanyag molekulái beépülnek a szervezetbe. Ezen túl a gyógyszergyártás folyamán folytonos ellenőrzésre van szükség, hogy mindig pontosan a megfelelő anyagot állítsuk elő. Ez az ellenőrzés egészen az atomi szintig terjed. Hasonló a helyzet egészen más területeken is, például a repülőgépekben használt szuperötvözetek gyártásánál vagy a félvezető eszközök előállítása során. 

Ezért nem meglepő, hogy az atomi szerkezet meghatározására alkalmas módszerek kifejlesztésére igen nagy erőket összpontosítottak az elmúlt 100 évben, és jelenleg is aktív kutatási területet jelent. A köztudatban ezek a munkák nem igazán ismertek. Talán az e módszerekkel elért eredményekről viszont többet hallunk. Vegyük például a DNS-t, amiről biztosan mindenki hallott. De arról, hogy hogyan határozták meg szerkezetét, hogy milyen hatalmas szellemi teljesítmény és munka rejlik a módszerek kifejlesztése mögött, amelyekre támaszkodva néhány zseniális kutató megkapta a Nobel-díjat, arról már sokkal kevesebben tudnak. Ebben az előadásban erről a munkáról, az atomi szerkezet meghatározásáról szeretnék beszélni. Pontosabban ennek is csak egy szeletéről: a röntgensugárzással való szerkezetmeghatározásról. E problémakör súlyát, fontosságát az is jelzi, hogy speciálisan a röntgensugárzással való szerkezetmeghatározással kapcsolatos kutatásokért 9 Nobel-díjat ítéltek oda.

II. A VONALZÓ

Nos, rögtön felvetődik a kérdés, hogyan kapcsolódik a röntgensugárzás és az atomi szerkezet. Miért éppen a röntgensugárzással kaphatunk információt az atomok térbeli elhelyezkedéséről. Ahhoz, hogy ezt megválaszoljuk, tekintsük először a mérés folyamatát. Mi kell egy méréshez? Természetesen a mérendő tárgy, a mérőeszköz és az ember, aki elvégzi a mérést, leolvassa az eredményt - tudományosan szólva kiértékeli a mérést. Induljunk egy egyszerű példával. 
Vegyünk egy vonalzót és egy hajszálat, a feladat, hogy meghatározzuk a hajszál vastagságát. Minden rendelkezésünkre áll: tárgy, eszköz, ember, mégis bajban vagyunk, mert legfeljebb azt a választ tudjuk adni, hogy a hajszál sokkal vékonyabb mint egy milliméter. De ha veszünk egy mikrométert, akkor azonnal meg tudjuk adni a pontosabb eredményt: a hajszál vastagsága 50 mikron. Mire szeretnék ezzel a példával rávilágítani? Arra, hogy a méréshez olyan vonalzót kell használni, aminek beosztása, skálája megegyezik a mérendő távolsággal, vagy finomabb nála. Tehát felmerül a kérdés, milyen vonalzót használjunk az atomok közötti távolság mérésére. Tudjuk, hogy az atomok közötti távolság kicsi, de milyen kicsi? 

A mm tartományból indulva haladunk az atomi méretek felé. Az atomok közötti távolság a mikronnak (amely éppen látásunk határán van) a tízezred része. Ezt nevezzük angströmnek. Tehát az atomok néhány angström távolságban vannak egymástól. Mi az a vonalzó, aminek ilyen finom a beosztása? Ennek megválaszolásához tanuljunk egy picit a hullámokról. A fizikában ugyanis gyakran használunk hullámokat vonalzóként.

Miért alkalmas a hullám vonalzónak? Ha minden hullámhegy tetejéhez egy kis rovátkát teszünk, akkor egy egyenletes vonalzót kapunk, aminek a beosztásai hullámhossz távolságra vannak. Ezzel a hullámhosszal vetjük össze a mérendő távolságot. Persze ez csak úgy ránézésre nem mindig megy, mint egy egyszerű vonalzó esetén, hiszen gyakran a hullámot nem is látjuk. Az összehasonlításhoz a hullámok két fontos tulajdonságát használjuk, az objektumokról való visszaverődését, amit szakszóval szórásnak nevezünk, és a hullámok összeadhatóságát. 

III. A MÉRÉS ELVE

Ha két hullám együtt fut - hullámhegy a hullámheggyel, akkor az összegük egy kétszer akkora nagyságú hullám lesz. Ha azonban ellentétes fázissal - hullámhegy a hullámvölggyel- találkoznak, akkor teljesen kioltják egymást. A közbenső esetekben a két véglet közötti hullámokat kapunk. Röviden ezt úgy mondjuk, hogy a hullámok összege attól függ, hogy egymáshoz képest milyen fázisban találkoznak. Lássuk tehát, hogyan használjuk a szórást és a hullámösszeadást 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 irányában (azt mondjuk, egy gömbhullámot bocsátanak ki). Ennek egy síkbeli vetületét láthatjuk. Ez azonban így túl bonyolult, még nem látunk semmilyen törvényszerűséget. Ahhoz, hogy pontosabb képet kapjunk, most egy adott irányban vizsgáljuk, mi történik. 

Ebben az irányban a két hullám éppen azonos fázissal találkozik, tehát egy nagy - két egységnyi amplitúdójú - hullámot kapunk. Ha azonban változtatjuk az irányt, a két szórt hullám relatív fázisa változik, és így a hullámösszeadásnál tanultaknak megfelelően az eredő hullám amplitúdója is változik. 
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. 

Azt hiszem, a fentiekből már számítások nélkül is világos, hogy a szóráskép, vagyis a térbeli intenzitáseloszlás függ az atomok távolságától. Egyszerű geometriai megfontolások alapján megmutatható, hogy a nagy, illetve a kis intenzitású irányok ismeretében visszakövetkeztethetünk az objektumok távolságára.

Most már tudjuk, hogyan lehet összehasonlítani a hullámhosszal a mérendő távolságot: térbeli intenzitáseloszlást kell mérnünk. A következő kérdés az, hogy milyen hullámot használjunk. A fény mint elektromágneses hullám nagyon jó lenne, hiszen látjuk és könnyű előállítani. A fény kb. 0,5 mikron hullámhossza azonban az atomokat tekintve olyan, mintha hajszálat akarnánk mérni centiméteres beosztású vonalzóval, tehát nem megfelelő. Szerencsére elektromágneses hullámokat sokkal rövidebb, például angström hullámhosszúsággal is elő tudunk állítani, ami a tipikus atomi távolság. Ezeket a rövid hullámhosszú elektromágneses hullámokat nevezzük röntgensugárzásnak. Tehát ez lesz a vonalzónk.

IV. A MINTA

Persze a figyelmes hallgató felvetheti a kérdést, hogy a valódi rendszerekben nem két atom van, hanem sok. Ez kétségkívül nehezíti a megoldást, de azt hiszem, el tudjuk képzelni, hogy ha háromra, négyre stb. növeljük az atomok számát, a szóráskép változik, és ebből vissza tudjuk kapni az atomok térbeli elhelyezkedését. Az is nyilvánvaló, hogy ha növeljük az atomok számát, egyre nehezebb és bonyolultabb lesz ez a feladat. Egy kézzel fogható anyagdarab esetén az abban található atomok száma 1023. Ez nagyon nagy szám! Az, hogy ennyi atom által szórt ugyanennyi hullám összegéből valamit is meg tudunk határozni, már eléggé valószínűtlennek tűnik. Valójában ez így is van: általánosságban egy kicsi, de látható anyagdarab összes atomjának pontos helyét nem tudjuk megadni. Ennek, még ha elvileg meg is tudnánk határozni, a gyakorlatban olyan egyszerű akadálya van, hogy ennyi adatot (minden atomhoz négy szám tartozik: három jelöli a térbeli helyét, egy pedig azt, hogy milyen fajta atom), tehát 4x1023 számot, a világ összes számítógépes tárolókapacitása sem lenne képes befogadni.

A helyzet azért nem ennyire reménytelen, mert a természet a segítségünkre siet. Az anyagok egy nagy csoportjában az atomok nem össze-vissza, hanem szép rendben helyezkednek el. Miért segít ez nekünk? Ennek megértéséhez vizsgáljuk meg, milyen is ez a rend. Kiderül, hogy nagyon sok anyagunkat felépíthetjük úgy, hogy azonos kis térfogatelemeket (tudományosan 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. Ebben az esetben a 7. ábrán látható kockarácsot kapjuk, és ezt persze folytathatjuk a végtelenségig, itt csak a rács egy kis darabját rajzoltam fel. Ugye milyen unalmas a kristályos anyag? Csupa ismétlés. No de menjünk tovább, hiszen ez még csak a rács. Hátha kidíszíthetjük valahogy ezt az egyhangú rácsot. 

A legegyszerűbb szerkezet akkor adódik, ha a cellák közepébe egyetlen atomot helyezünk.

De tehetünk ide egy több atomból álló molekulát is, mint amilyen például a víz. 

Ez még mindig nem túl változatos. A természet sok tekintetben ettől többet tud, a cella leggyakrabban nem ilyen egyszerű kockarács, hanem olyan rács, aminek oldalai különböző hosszúak, és a szögei is gyakran eltérnek a 90 foktól. Az illusztráció kedvéért bemutatom a mindenki által jól ismert C-vitamin molekuláját és kristálya elemi celláját.

Ugye ez már nem olyan unalmas?

Térjünk vissza az eredeti problémához: miért előnyös számunkra egy ilyen rend? Ebben az esetben elég megadni annak a néhány atomnak a helyét, ami egyetlen elemi cellában található. A többi atom helyét már számítással megkaphatjuk, hiszen csak hozzá kell adni az első elemi cellában lévő atomok koordinátáihoz cellaélnyi eltolásokat. A 19., 20., 21. és 22. ábrákon a legegyszerűbb egyatomos elemi cellával illusztráljuk miről is van szó. Tehát egy élnyi eltolással megkapjuk a legközelebbi szomszédokat, további eltolásokkal pedig az egész rácsot.

Részletes megfontolások és természetesen mérések azt mutatják, hogy az előbb bemutatott kristályos rend tükröződik a szórásképben is. Az ilyen anyagok szórásképe is egy 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. Most, hogy a szerkezetmeghatározás elvi alapjait lefektettük, a gyakorlati megvalósítás felé fordulnék.

V. RÖNTGENFORRÁSOK

A röntgenforrás minősége döntően befolyásolja, hogy milyen bonyolultságú szerkezetet tudunk meghatározni. Egy hasonlattal szeretném ezt megvilágítani. Ha egy hangulatos vacsoránál ülünk, a gyertyafény is elegendő, hogy szájunkhoz emeljük a kanalat vagy megtaláljuk poharunkat. Ugyanakkor, ha egy tűbe be szeretnénk fűzni a cérnát, egy sokkal jobb fényforrásra van szükségünk, és ha egy 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 esetén is, sőt talán még egy kicsit nagyobbak is a különbségek az egyes források között, mint az előző példában. A röntgenforrások kiemelt szerepe miatt bővebben szeretnék beszélni róluk. Három forrást fogok bemutatni: a hagyományos röntgenforrást, a szinkrotronokat, és a röntgen szabadelektron lézert. 

A hagyományos röntgenforrás lelke a röntgencső. A 6. animáción láthatjuk a röntgencső felépítését. 

Működése két folyamaton alapul: az első, hogy a gyorsuló töltések elektromágneses hullámokat sugároznak. A második, hogy a nagy energiájú elektronok az atomi elektronokat kiüthetik helyükről, és az így gerjesztett atom fölös energiáját egy röntgen foton kibocsátásával adja le. Ezt a két folyamatot a röntgencsőben úgy érjük el, hogy két fémelektróda közé nagyfeszültséget kapcsolunk, és a negatív elektródán elektronokat keltünk. Ezek a pozitív elektróda, az anód felé közeledve egyre nagyobb sebességre tesznek szert, majd becsapódnak, és így hirtelen lefékeződnek. Az elektronok becsapódásakor történik az említett két folyamat, és így ezek a csövek röntgensugárzást bocsátanak ki a tér minden irányba

A szinkrotron forrásban is gyorsuló töltések keltik a röntgensugárzást, itt azonban nem kis üvegcsőben az anódba ütköznek az elektronok, hanem egy hatalmas gyűrűben közel a fény sebességével keringenek. Mint ahogy ismeretes, a körpályán mozgó test gyorsul. Ezért ezek az elektronok is sugároznak. 

Pontos számítások azt mutatják, hogy a sugárzás a 25. ábrán jelölt módon, tehát majdnem párhuzamos nyaláb formájában történik, és igen nagy intenzitással. Így ezek a sugárforrások lehetővé teszik számos olyan probléma megoldását, amelyekhez hagyományos röntgenforrásokkal nem is érdemes hozzákezdeni. Leglátványosabbak talán az élő szervezetekkel kapcsolatos eredmények. Sok tízezer fehérje, sőt még vírusok szerkezetét is sikerült meghatározni. Annak illusztrálására, hogy milyen bonyolult egy vírus, tekintsük meg a 27. ábrát. 

Több százezer atom található egy ilyen kristályosított vírus elemi cellájában. A további képen pedig a vírus károsító hatása látható.

Térjünk vissza a szinkrotronokhoz. Mivel ezek hatása sok tudományágra kiterjed, s igen széleskörű a biológián, fizikán, kémián, orvostudományon keresztül egészen a régészetig, nem árt még néhány jellegzetességet elmondani róluk. Egy ilyen, néha kilométeres nagyságot elérő gyűrű köré sok (akár közel száz) különböző mérésekre alkalmas állomást telepítenek, ezek éjjel-nappal üzemelnek. A sugárzás nem folytonosan, hanem nagyon rövid (10-10 sec, 100ps, azaz a másodperc milliomod részének tízezred része hosszúságú) impulzusokban érkezik a mintára. Ennek oka, hogy az elektronok nem folytonosan, hanem kis csomagokban haladnak a gyűrűben, ahogy a 7. animáción látjuk. 

Amikor a részecskék az ablakhoz érnek, egy villanást látunk. Ez az impulzusjelleg lehetőséget nyújt különböző folyamatok időbeli lefutásának vizsgálatára. Például megtudhatjuk, hogy milyen lépéseken keresztül kapcsolódik be az oxigén a hemoglobinba, vagy hogy 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 sokféle tevékenységből két dolgot emelnék ki: az egyik egy néhány évvel ezelőtti eredményünk, a másik pedig egy olyan kutatás, ami a jövőbe mutat.

Talán ismert a hallgatóság számára, hogy egy picit több mint 10 éve fedezték fel a szén egy új módosulatát, a zárt héjszerű fullerénmolekulákból felépülő anyagokat. Ezért a felfedezésért néhány éve adtak Nobel-díjat. Az elmúlt években sokat foglalkoztunk olyan anyagokkal, amelyek fullerénmolekulákat tartalmaznak. A legismertebb fullerénmolekula a focilabda alakú C60. Ezt a molekulát láthatjuk a 29. ábrán. 
A C60 szilárd fázisa, aminek elemi celláját a benne lévő molekulákkal a következő ábra mutatja, egyszerű, de egyszerűségében is érdekes tulajdonságokkal rendelkezik.

Például ki gondolná, hogy egy kézzel fogható szép kristályos anyagban, mint amit a 23. ábrán láthatunk, a molekulák hatalmas sebességgel véletlenszerűen minden irányban forognak. Pedig ez a tiszta C60-ban így van. 

Még ennél is érdekesebbek a C60 vegyületei. Kutatócsoportunk többek között a C60 alkálifémekkel alkotott vegyületeivel is foglalkozott. Ezek közül többnek a szerkezetét mi határoztuk meg elsőként. A 24. ábrán a Na4C60-ban található atomi rendet mutatom.

Ennek az anyagnak az érdekessége, hogy a C60-molekulák egy-egy síkban erős kovalens kötéssel kapcsolódnak, és így egy kétdimenziós kristályos polimert alakítanak ki. Megjegyzem, hogy e szerkezetet csak nagyon pontos szinkrotron mellett végzett mérések segítségével tudtuk meghatározni.

VI. ADATGYŰJTÉS ÉS FELDOLGOZÁS

A következőkben lássuk, hogyan történik egy mérés. 

Van egy röntgenforrásunk, aminek sugárzásából kiválasztunk egy közel párhuzamos és egy adott hullámhosszal rendelkező (ezt úgy szoktunk mondani, hogy 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 hozzátartozó mozgató mechanizmus, 3. detektor és a kapcsolódó adatgyűjtő elektronika. Megjegyezzük, hogy hagyományos röntgenforrás esetén a kívánatos párhuzamos próbanyaláb miatt a röntgencsőben keletkező sugárzás nagy részét elveszítjük. 

Evvel a viszonylag rossz hatásfokkal előállított nyalábbal is sok anyag atomi szerkezetét meg tudjuk határozni. Ha azonban a mintánk nagyon kicsi (mondjuk néhány mikron), vagy az elemi cellában nagyon sok atom van, és ezért nagyon részletes intenzitástérképet kell felvennünk, akkor ilyen forrással nem érünk célhoz. A fenti problémákon úgy tudunk felülkerekedni, ha egy sokkal intenzívebb röntgenforrást, az úgynevezett szinkrotron sugárforrást használjuk.

VII. PROBLÉMÁK

Milyen lesz a jövő szerkezetkutatása? Itt elsősorban a röntgen szerkezetkutatásra koncentrálok, bár természetesen más módszerek is fontos szerepet fognak játszani. Tehát mik jelenleg a röntgen szerkezetkutatás legnagyobb problémái? 

Három lényeges problémát említek.

Az első egy elvi probléma, aminek lényege, hogy méréskor detektorainkkal csak a beeső fotonok darabszámát tudjuk meghatározni, azt, hogy egymáshoz képest ezek milyen fázisban érkeznek, nem. Egy hullám teljes jellemzéséhez pedig ez az információ is hozzátartozik. Ez az információhiány lényegesen nehezíti a térbeli szerkezet meghatározását. A probléma részleges megoldására számos módszer létezik, lényegük, hogy a hiányzó fázisinformációt valamilyen más, a mintán mérhető adatsorral próbálják pótolni. A probléma direkt megoldását jelentené a röntgenholografikus módszerek használata, melyek esetén a mért intenzitásértékekben a fázisinformáció is kódolva van. E módszerek technikai fejlettségi szintje azonban még nem teszi lehetővé széleskörű alkalmazásukat. 

A másik két probléma gyakorlati jellegű: az egyik, amit korábban már említettem, hogy kristályra van szükségünk a méréshez, a másik pedig a sugárkárosodás. Mivel az első szükségességéről már beszéltem, erre itt nem térek ki. A sugárkárosodást a tárgyalás egyszerűsítése kedvéért korábban kihagytam. Most néhány szót szólnék róla, és megmutatom, hogy a két említett probléma, tehát a kristály szükségessége és a sugárkárosodás erősen összefügg.

A mintára eső röntgensugárzás nemcsak olyan szórásfolyamatban vehet részt, amikor a hullám nem veszít energiát a szórás folyamán (ezt szaknyelven rugalmas szórásnak nevezzük), hanem olyan folyamatban is, amikor az atomoknak energiát ad át. Ezek a rugalmatlan szórások. Ilyenkor azonban 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 egy 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 egyetlen egy 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, egy pici egyedi részecske atomi szintű szerkezetét nem tudjuk meghatározni. De a kutatók nem adjak fel egykönnyen. A következőkben egy magyar származású, de jelenleg Uppsalában dolgozó kollégánk, Hajdú János ötletét mutatom be, akivel jelenleg is együtt dolgozunk. Ez az ötlet egy kis reményt nyújt egyedi részecskék szerkezetének meghatározására. Az ötlet megértéséhez vizsgáljuk meg, hogyan történik a sugárkárosodási folyamat. Ez olyan, mint a csillagok háborúja. A méréshez használt röntgenhullámok úgy érkeznek, mint a támadók lövedékei. 

Némelyik rugalmasan szóródik, mások pedig rugalmatlanul, vagyis kiütnek egy-egy elektront. Így az atomok egy része ionizálódik: pozitív töltésű lesz. Ezt reprezentálja a minta pirosodó színe. Ezek a pozitív töltések taszítják egymást, és ezért egyre gyorsulva elmozdulnak helyükről. A minta szétrobban. Ezért nem tudjuk meghatározni a szerkezetet. Nos Hajdú János ötlete az, hogy olyan gyorsan kell lemérnünk a szerkezetet, hogy az atomoknak ne legyen ideje elmozdulni. Ez igen egyszerűen hangzik, ha azonban megbecsüljük, hogy milyen rövid ez az idő, azt kapjuk, hogy 10-15 másodperc, azaz 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, hiszen ha visszaemlékszünk a szinkrotronok impulzusaira, ezek hossza - 10-10 másodperc - ugyan nagyon rövid, de még így is 100 000-szer hosszabb, mint kellene. Ennek ellenére a fenti ötlet nem légből kapott. Azokon az ún. negyedik generációs röntgenforrásokon alapul, amelyeket napjainkban kezdenek építeni, és az elsőt 2008-ban Standfordban, a másodikat pedig 2012-ben Hamburgban helyezik majd üzembe.

VIII. JÖVŐBELI LEHETŐSÉGEK

A negyedik generációs sugárforrások röntgenlézerek, pontosan fogalmazva röntgen szabadelektron lézerek. Ezek több km vagy inkább több 10 km hosszú lineáris elektrongyorsítók, amelyeknek a végén egy olyan egység van, ami az elektronokat hullámmozgásra készteti, így ezek gyorsulnak, és ennek megfelelően sugároznak. Ennek a standfordi berendezésnek a továbbfejlesztésével készül majd az első szabadelektron lézer.

A rendszer paramétereinek megfelelő megválasztásával érhető el, hogy a lézerhatás fellépjen, és a kijövő sugárzás igen intenzív, koherens és párhuzamos nyaláb legyen. Ezek az eszközök vagy továbbfejlesztett változataik már megfelelő röntgenimpulzusokat fognak szolgáltatni a javasolt méréshez. Jelenleg kutatócsoportunk többek között az egyedi részecskék leképzésekor felmerülő problémák megoldásával foglalkozik. Ezek közül a legalapvetőbb a minta robbanási folyamatának leírása, hiszen ez szabja meg, mennyi időnk van az eredeti szerkezet mérésére. A nehézségek illusztrálására e modellezésünk eredményét mutatom be a 10. animáción. 

Az animáció egy 1500 atomot tartalmazó kis részecske szabadelektron lézer röntgenimpulzusának hatására bekövetkező robbanását mutatja. Az impulzus hossza 10 fs. Az impulzus hatására leszakított elektronok - a sárga gömbök - nagy sebességgel mozognak, és rövid idő alatt távoznak, és így a visszamaradó pozitív ionok - zöld gömbök - taszítják egymást, és a minta elveszti eredeti atomi rendjét, szétrobban. A piros és kék gömbök a másodlagosan leszakított kisebb energiájú elektronokat jelképezik, amelyek nem tudnak megszökni, és az ionokkal egy kis plazmagömböcskét alakítanak ki. A modellezésből nyilvánvaló, hogy csak az impulzus elején, az első néhány fs-ban mérhetünk. Ebben az időszakban még közelítőleg az eredeti atomi rendet látjuk. Ezek az eredmények ösztökélik arra a szabadelektron lézer tervezőket, hogy még rövidebb impulzushosszal rendelkező forrásokat építsenek. Az, hogy ez sikerül-e, és ha igen, akkor a gyakorlatban is meg tudjuk-e határozni egyedi részecskék atomi szerkezetét, a jövő titka. 

Végül a következőkkel szeretném zárni az előadást: Az anyag atomi szerkezetének gondolata egészen az ókorig nyúlik vissza. Az emberi kíváncsiság, a természet megértésére való kitartó törekvés azonban csak a múlt században vezetett el a valódi atomi rend megismeréséhez. A természet működésének megismerése, az új ismeretek szerzése iránti igény az emberekben ösztönös. Ma úgy nevezzük ezt, hogy alapkutatás. Ennek célja minőségileg új ismeretek szerzése, a természet működésének megértése. 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.