Dedykowane Panom Adamowi1 i Pirogronianowi.
Panu Adamowi za to, że mnie "podpuścił", a Panu Pirogronianowi za to, że Pana Adama w tym poparł.
Będzie o neutronach. Oczywiście, dwoistosci falowo-korpuskularnej nie mozna mierzyć na metry albo kilogramy, więc nie mozna twierdzić, że jedna cząstka ma „bardziej korpuskularno-falową” naturę, niż inna cząstka. Czyli tytuł prosze uważać tylko za tzw. „figurę retoryczną”. Czytelnika trzeba czymś przyciągnąć, prawda? Jeśli tytuł wyraźnie sugeruje: „Drogi czytelniku, w tekście poniżej będzie zionęło nudą”, to raczej słaba nadzieja, że wzrok czytelnika dalej poza tytuł podąży. Dlatego też ja starałem się wykombinować jakiś tytuł przyciągający uwagą. A wiadomo, że tytuły w rodzaju „Najseksowniejsza kobieta świata” czy „Nagrubszy ze wszystich grubasów” właśnie dobrze spełniają taska rolę.
Ja obcowałem przez ponad 40 lat z neutronami, robiąc "tymi ręcyma" eksperymenty z dziedziny tzw. "neutronografii". Praktycznie, neutronografia sprowadza się do obserwacji tego, w jaki sposób promieniowanie neutronowe jest rozpraszane przez różne materiały, w różnej formie -- poczawszy od kryształów zmielonych na proszek, poprzez kryształy jako takie, cieńkie warstwy sztucznie wyhodowane na kryształach, szkła, ciecze, a nawet czasem gazy. I do tego w najrozmaitszych warunkach, od ultraniskich temperatur po bardzo wysokie, w cisnieniach od zera aż do wielu tysiecy atmosfer, bez pól albo też w bardzo silnych polach, np. magnetycznych, których natężenia w jednostkach "Tesla" wyrażają się liczbami dwucyfrowymi.
A po kiego grzyba się rozprasza neutrony w materiałach torturowanych na tak wymyślne sposoby? Ano, dlatego, że można się bardzo dużo dowiedziec o strukturze atomowej, strukturze spinowej, jak równiez o dynamice atomowej i spinowej w danym materiale. Co do niektórych waznych zjawisk w materii skondensowanej, to neutrony mają "niemal wyłączność" na dostarczanie dokładnej informacji o nich.
Ale chciałem się skupić tylko na jednym ciekawym aspekcie neutronów -- mianowicie, jak w praktyce doświadczalnej przejawia sie ich dwoista korpuskularno-falowa natura. A przejwia sie ona, oj, tak! Chyba "bardziej wydatnie", niż w przypadku jakichkolwiek innych mikrocząstek. A przyczyna tego jest dość prosta: poniewaz neutron nie ma ładunku, oddziaływuje on wzglednie słabo z materią. Dzięki temu mozna neutrony "spowolnic" i otrzymywać je w niezwykle szerokim zakresie prędkości.
W praktyce eksperymentalnej, źródłem neutronów wykorzystywanych do badań jest najczęsciej reaktor jądrowy (o specjalnej konstrukcji -- te w elektrowniach atomowych akurat słabo sie nadają na źródła). Drugi rodzaj to źródla akceleratorowe, w których w target zawierający cięzkie jądra wali sie wysokoenrgetycznymi protonami: zachodzi wtedy zjawisko tzw. "spalacji", lub "wrzenia" jądra, w wyniku czego rozpirza się ono na kawalki i uwalnia aż do kilkudziesięciu neutronów. Źródeł akceleratorowych jest na swiecie trochę mniej, niż reaktorowych -- a tych ostatnich też nie ma zbyt wiele, w sumie chyba jest ich kilkadziesiąt.
Jak się wypuszcza neutrony z reaktora czy ze źródla spalacyjnego, to razem z nimi wylatuje kupa paskudnego promieniowania jonizującego. Można się przed nim dośc skutecznie osłaniać. Ale, zeby nie dochodziło do niebezpiecznych sytuacji, każdy pracownik, który "tymi ręcyma" dłubie przy eksperymencie neutronograficznym, musi mieć bardzo dogłębną wiedzę z dziedziny bezpieczeństwa radiologicznego.
Żartów nie ma, trzeba przechodzić przez długaśne szkolenia i zdawać wcale niełatwe egzaminy, z teorii i praktyki. W wielu ośrodkach po pomyślnym egzaminie dostaje sie pozwolenie na prace w hali reaktora na rok-dwa -- po czym znów trzeba zdawac egzamin na nowo! Jest to uciążliwe, ale potrzebne. Rutyna i nonszalancja w pracy z promieniowaniem może prowadzić nawet do śmiertelnych skutków! A użytkownik dobrze i "na swieżo" przeszkolony, nie włażący do spektrometu, jak "kanał jest otwarty", naogół dostaje przez rok co najwyżej drugie tyle, ile każdemu z nas Matka-Natura przez rok serwuje, nawet, jak sie tylko siedzi w domu.
Ale te bardzo sztywne przepisy bezpieczeństwa i konieczność przechodzenia przez te wszystkie szkolenia sprawiają, że tłumy sie raczej nie garną do badań neutronowych. Liczba "czynnych neutronowców" w skali światowej, jak przypuszczam, jest najwyżej czterocyfrowa i to chyba raczej nie z "wysokiego zakresu" takich liczb. To bardzo mało w porównaniu z innymi obszarami badań w naukach przyrodniczych i technologicznych. W rezultacie, o wynikach róznych badań otrzymywanych przy pomocy neutronów słyszy się dużo, dużo rzadziej, niż o rezultatach badań osiąganych w tych "bardziej ludnych" obszarach badawczych.
Tymczasem, o pewnych rzeczach związanyc z promieniowaniem neutronowym warto na pewno wiedzieć. Jak wspomniałem, w róznych badaniach mozemy używac neutronów o prędkosciach z bardzo szerokiego zakresu. Takie powstające w akcie rozszczepienia w reaktorze, czy w akcie spalacyjnego rozpirzenia jądra, mają energie z zakresu 1-10 MeV, czyli prędkosci rzędu 0,1 c. A drugi kraniec, to prędkośc piechura!
W tym pierwszym przypadku, neutrony maja niezwykle silnie zaakcentowane własnosci "korpuskularne", model twardych kulek doskonale przy takich energiach służy. A te wolne -- nie trzeba nawet spowalniac ich do tempa piechura, już wystarczy do szybkosci mniej więcej pocisku z Kałacha u wylotu lufy -- mają już niezwykle silnie przejawiające się własnosci falowe.
W reaktorze mamy do czynienia z rozszczepieniem jąder paliwa -- każdy taki akt rozszczepienia wywołany jest przez pojedynczy neutron. Trzeba tutaj podkreślić, że najbardziej skutecznymi "rozszczepiaczami" są neutrony nie o wysokiej, ale właśnie o niskiej energii, rzędu 0,1 eV. W akcie rozszczepienia uwalnia się srednio ok. 2,5 "wtórnych" neutronów o energiach z zakresu 1-10 MeV. Żeby podtrzymać moc reaktora na stałym poziomie, z tych "dwóch i pół" jeden musi znów wywołać akt rozszczpienia kolejnego jądra. Trzeba go zatem spowolnić, obniżyć mu energię o czynnik rzędu miliona. Można to stosunkowo łatwo osiągnąć, na przykład, przez umieszczenie prętów paliwowych w zwykłej wodzie. Szybki neutron wyskakuje z pręta, po czym zderza się z jądrami wodoru, czyli protonami, za każdym zderzeniem oddając protonowi spora porcję swej energii kinetycznej. Żeby neutron spowolnić do zakresu rzędu 0,1 eV, wystarczy średnio trzydzieści z czymś zderzeń.
Tak, że średni neutron podtrzymujący procesy w reaktorze „rodzi się” w akcie rozszczepienia z energią rzędu MeV-ów i wtedy jest „bardzo korpuskularny”, a kończy swój „niezależny byt” mając energie rzędu 0,1 eV i wywołując następny akt rozszczepienia. Całe to „hulanie neutronu na wolnosci” trwa zaledwie ułamek milisekundy. W tym czasie więc przeistacza się on z cząstki o „bardzo silnie zazanaczonej korpuskularnej naturze” w cząstke o „bardzo silnie zaznaczonej falowej naturze”.
Kiedy piszę „o bardzo silnie zaznaczonej falowej naturze”, to wcale nie chcę stwarzać wrażenia, że taka cząstka już własnosci korpuskularnych wcale nie objawia. A objawia, objawia tez i „korpuskularne cechy”, jak najbardziej. Ja w niniejszym tekście uzywam określeń, które są trochę „na luzie”. Przez co tekst troszecke traci na ścisłości, ale chyba tylko tyle, że to jeszcze ujdzie. A gdybym chciał w 100% dochowac wiary wymogom ścisłosci – a potrafiłbym, potrafiłbym, spokojna głowa. Tyle, że wtedy teksty stają się nudne. W „Dziale Nauka” nie powinno sie pisać w taki sposób, w jaki sie pisze, dajmy na to, artykuł do „Physical Review”.
Jeżeli to, co napisałem powyżej, wywoła tutaj jakieś zainteresowanie, to ja napisze więcej – o własnościach falowych neutronów objawiających sie w zdumiewający sposób w róznego typu doświadczeniach.
