Faigel Gyula

Mire jó a röntgenvonalzó? - Az atomi szerkezet meghatározása röntgensugárzással

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.

Animáció: Sugárkárosodás

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.