Fizyka dla każdego

22 listopada (2023) zapraszamy na seminarium Koła Naukowego Fizyków, na naszym (WFAiIS) Wydziale.

Prof. G. Karwasz opowie o badaniach naukowych i zastosowaniach technik pozytonowych: rozpraszania, anihilacji, tomografii medycznej.

Zapraszamy: sala 20, środa 22/11, godz. 18:30

Po seminarium zwiedzanie laboratorium pozytonowego na Wydziale.

Abstrakt poniżej

Abstrakt

Pozyton, czyli dodatni elektron, był nieoczekiwanym wynikiem relatywistycznego równania ruchu elektronu, które to równanie sformułował w 1928 roku Paul Adrian Maurice Dirac: w równaniu tym wyraz zawierający masę elektronu (m) pojawia się w drugiej potędze (mc)² , więc w czyimś komentarzu do tego równaniu pojawiała się "złośliwość", że masa elektronu mogłaby być ujemna. Dirac, niezbity z tropu odpowiedział, że gdy powstaje elektron, to w próżni pozostaje po nim "dziura", czyli stan o ujemnej energii (lub masie) [1].

Wkrótce po tym, C. Anderson odkrył w kliszy fotograficznej naświetlonej w laboratorium ślady cząstek dodatnich "o masie mniejszej niż protony". To były pozytony, czyli dodatnie elektrony.

Pierwsze pytanie badawcze, to czy pozytony różnią się od elektronów. Wydaje się, że niczym, z wyjątkiem znaku ładunku elektrycznego. Co więcej, nic nie zabraniało, aby na początku wszechświata powstała była antymateria, a nie "nasza" materia. Pozytony w próżni żyją w nieskończoność. W naszej Galaktyce jest ich pokażna chmura.

Ale w materii "normalnej" pozytony żyją bardzo krótko: w obecności elektronu pozyton anihiluje (zamienia się w dwa lub trzy kwanty gamma) i żyje zaledwie 125 ps lub 143 ns (w zależności od wzajemnego ustawienia spinów elektrony i pozytonu). Czyli - pozornie pozytony są bezużyteczne?

Tylko pozornie. Bo anihilując w materii (np. w ciele stałym) dostarczają unikalnych informacji o strukturze kryształu (szkła, polimeru), np. o rodzaju i liczbie defektów. W ten sposób wyjaśniliśmy zagadkę technologii krzemowej: od 1947 roku było wiadomo, że krzem po "wyhodowaniu" należy wygrzać w temperaturze 450oC przez 48 godzin, ale nie było wiadomo dlaczego [2]. Nasze badania [3] pokazały, że tego rodzaju wygrzewanie powoduje powstawanie nano-skupisk tlenku krzemu, dzięki czemu tlen przestaje działać jako domieszka, a przez to zmieniać charakterystyki półprzewodnikowe Si. 

Z kolei w badanich rozpraszania pozytonów w gazach możemy, pośrednio, poszukiwać odpowiedzi na jedno z podstawowych pytań chemii (i fizyki): dlaczego dwa elektrony nie mogą znajdować się w tym samym stanie kwantowym (tzn. na jednym orbitalu dozwolone sa maksymalnie dwa elektrony, i muszą się one różnić ustawieniem spinu). Chemicy nazywają to zakazem Pauliego. I jest to podstawa istnienia Chemii, a przez to i Biologii. 

W rozpraszaniu elektronów zakaz Pauliego działa, ale nie mamy przekonującego modelu matematycznego dla opisu tego zjawiska. W rozpraszaniu pozytonów - zakaz nie obowiązuje. Co więcej, moje badania pokazują, że pozyton "przykleja" się do atomu (molekuły) i w ten sposób mierzymy rozmiary atomu [4].

Jeszcze ciekawsze są badania podstawowe: możliwej antygrawitacji [5], spektroskopii anty-wodoru, kondensatu pozytonium (czyli wspomnianego juz wyżej stanu związanego elektron-pozyton), poprawek do elektrodynamiki kwantowej itd. 

Ale to wszystko przed Wami: powodzenia!

Grzegorz Karwasz 

Sopot, 21.11.2023

[1] Dla dokładnych rozważań należałoby przywołać któryś z nieskończonej liczby artykułów z historii fizyki opisujących to odkrycie.  

[2] G. Karwasz, "Do positrons measure molecular diameters?", Centenial Einstein's Conference, Bern, 2005 (abstrakt odnajdę wkrótce)

[3] G. Karwasz, i in. "Visible photoluminescence from Cz-grown silicon", Appl. Phys. Lett.,  około 1996

[4] G. Karwasz, R.S. Brusa i in. , też Appl. Phys. Lett. około 2003 (odnajdę wkrótce)

[5] Nature, 23/09/2023 (link wkrótce, ale odnajdziecie sami bez trudu)

Wykład kompletny (Power Point)

Jak zostać naukowcem?

Odpowiadam (25/10/2023) wykładem-żartem:

"Za siedmioma górami, za siedmioma lasami"

Na tle krajobrazów różnych stron świata, od Gdańska, przez Trento, Japonię i Australię, opowiadam o moich naukowych "podróżach":

systematycznym i stopniowym odpowiadaniu na postawione (przeze mnie) pytania badawcze w czasach,

kiedy zaczynałem moją pracę magisterską (tj. AD 1981)

Power Point

PDF