„Opisaliśmy strukturę spektroskopową ośmiokrotnie zjonizowanych atomów wolframu, wyznaczając energię ponad 27 tysięcy poziomów atomowych oraz intensywności ponad 300 milionów przejść między nimi” - informuje dr Karol Kozioł z Zakładu Fizyki Detektorów i Diagnostyki Plazmy, jeden z 12 adiunktów NCBJ wyróżnionych w wyniku oceny dokonanej w 2020 r. W popularnej notatce, którą autor przygotował na temat swoich badań, wyjaśnia on dlaczego w plazmie reaktora termojądrowego znajduje się wolfram i inne metale, i dlaczego fizykom oraz inżynierom potrzebna jest wiedza o poziomach energetycznych tych składników.

Spektroskopia atomowa od wielu lat stanowi jedno z głównych narzędzi do analizy procesów zachodzących w świecie atomowym. Spektroskopia, jak prawie wszystkie gałęzie nauk ścisłych, dzieli się na aspekt teoretyczny i aspekt eksperymentalny, gdzie teoria i eksperyment związane są ze sobą w koło wzajemnej weryfikacji i interpretacji. W moich badaniach zajmuję się kwantowomechanicznymi obliczeniami wysokiej precyzji w analizie deekscytacji (czyli przechodzeniu ze stanu bardziej wzbudzonego do mniej wzbudzonego) atomów wysokowzbudzonych, a w szczególności koncentruję się na analizie wysokorozdzielczych widm rentgenowskich i ultrafioletowych powstających w strukturach plazmowych oraz na badaniu oddziaływania pojedynczego fotonu z elektronami atomu prowadzącego do powstawania atomów podwójnie zjonizowanych na powłoce K.

Synteza termojądrowa jest źródłem energii naszego Słońca i gwiazd, a jej kontrola przez człowieka może przynieść źródło praktycznie niewyczerpalnej energii. Energia w reaktorach termojądrowych pochodzi z łączenia się jąder izotopów wodoru i helu podgrzanych do ogromnych temperatur i utrzymywanych w stanie plazmy. Naukowcy z całego świata od wielu lat pracują nad tym, by przenieść koncepcję reaktora termojądrowego z poziomu czysto naukowego na poziom elektrowni użytkowych. Oprócz wodoru i helu, w plazmie reaktorowej znajduje się również pewna ilość atomów metali użytych w budowie reaktora, m.in. wolframu, berylu, niklu i żelaza, które zostały wybite ze ścian reaktora. Wskutek wysokiej temperatury panującej w plazmie atomy metali tracą cześć elektronów i przechodzą w stany wzbudzone. Spektroskopia atomowa jonów tych metali daje unikalną możliwość poznania właściwości struktur plazmowych oraz procesów atomowych prowadzących do ich powstawania. Co więcej, wiedza ta umożliwia kontrolę parametrów plazmy w reaktorze i tym samym pozwala na zapewnienie bezpiecznej pracy reaktora termojądrowego. Bogata struktura spektroskopowa wielokrotnie zjonizowanych atomów wolframu jest wynikiem możliwości występowania jonów w wielu stanach atomowych, leżących często blisko siebie, między którymi mogą zachodzić różne przejścia radiacyjne (w tym tzw. przejścia wzbronione). Analiza skomplikowanej struktury poziomów energetycznych jonów wolframu wymaga użycia precyzyjnych narzędzi teoretycznych, wywodzących się ze świata mechaniki kwantowej. Równania mechaniki kwantowej, wyprowadzone przez Erwina Schrödingera i Paula Diraca, stały się podwaliną dla programów obliczeniowych pozwalających z dużą precyzją wyznaczyć teoretycznie energie i intensywności linii widmowych oraz zinterpretować widma zmierzone. W ostatniej pracy [https://doi.org/10.1016/j.adt.2020.101372] opisaliśmy strukturę spektroskopową ośmiokrotnie zjonizowanych atomów wolframu (Rysunek 1), wyznaczając energię ponad 27 tysięcy poziomów atomowych oraz intensywności ponad 300 milionów przejść między nimi, co powinno przyczynić się do dalszego rozwoju diagnostyk rentgenowskich struktur plazmowych.

Atomy podwójnie zjonizowane na powłoce K (zwane też „atomami wydrążonymi”) stanowią atrakcyjne środowisko dla badań natury egzotycznych stanów atomowych i mechanizmów prowadzących do ich powstawania. Atomy wydrążone mogą deekscytować na wiele sposobów, wśród których najbardziej interesujące są bardzo rzadkie przejścia dwuelektronowe jednofotonowe (Rysunek 2). Analiza intensywności i szerokości widmowej różnych typów przejść pozwala uzyskać informację np. o czasach życia układów wzbudzonych. Uzyskane w ostatnich latach dane eksperymentalne pozwalają na najbardziej rygorystyczne testy obliczeń teoretycznych, przedstawionych przez nas w pracy [https://doi.org/10.1016/j.adt.2019.101298], opisujących egzotyczne stany atomowe i na zrozumienie procesów zachodzących w nanoskali.

Informacje uzupełniające

Działalność Zakładu Fizyki Detektorów i Diagnostyki Plazmy skupia się wokół prac naukowo-badawczych i rozwojowych z zakresu technik detekcji promieniowania jonizującego, w szczególności w oparciu o różnego rodzaju materiały scyntylacyjne i odczyt światła przy pomocy szerokiej gamy fotodetektorów (fotopowielaczy klasycznych, fotopowielaczy krzemowych, diod lawinowych itp.). Zakład rozwija pasywne i aktywne metody pomiarowe do prowadzenia eksperymentów w zakresie fizyki jądrowej i diagnostyki gorącej plazmy. W Zakładzie prowadzone są również prace z zakresu teoretycznej emisyjnej spektroskopii atomowej.