Fizyka

Metaliczny wodór i tajemnicze neutrina

Fizycy z laboratorium CERN pod Genewą donieśli o wytworzeniu po raz pierwszy atomów antymaterii. Prawie równocześnie fizycy amerykańscy z laboratorium im. Fermiego pod Chicago ogłosili, że znaleźli dane świadczące o istnieniu struktury kwarków. Wydaje się jednak, że rok 1996 przejdzie do historii przede wszystkim ze względu na to, iż po kilkudziesięciu latach starań udało się wreszcie otrzymać wodór w stanie metalicznym. Dokonali tego fizycy amerykańscy William Nellis, Arthur Mitchell i Samuel Weir w Laboratorium im. Lawrence’a w Livermore w Kalifornii. Ich praca zamieszczona w numerze „Physical Review Letters” z 11 marca wywołała jednak dużo mniejszy oddźwięk w prasie, nastawionej raczej na sensacje w fizyce mikroświata. Tymczasem otrzymanie metalicznego wodoru wieńczy długi ciąg badań rozpoczęty klasyczną pracą Wignera i Huntingtona, którzy w 1935 roku jako pierwsi rozważali, w jakich warunkach najlżejszy pierwiastek może przejść w stan metaliczny.

Ciekły wodór cząsteczkowy zachowuje się przy normalnym ciśnieniu jak izolator ze względu na dużą wartość przerwy energetycznej dzielącej zapełnione pasmo walencyjne od pustego pasma przewodnictwa.

Tymczasem w metalach pasmo przewodnictwa jest częściowo zapełnione przez elektrony, które mogą obsadzać pozostałe nie zapełnione poziomy, co daje łatwość ich poruszania się w próbce, a więc dobre przewodzenie prądu elektrycznego. Naturalną drogą do uzyskania wodoru w stanie metalicznym wydawało się stosowanie bardzo wysokich ciśnień w celu zmniejszenia przerwy energetycznej tak, aby elektrony mogły się przedostawać do pasma przewodnictwa.

Dotychczasowe badania prowadzono, poddając ciśnieniu wodór zestalony. Jednak mimo stosowania ciśnień ponad dwa miliony razy większych od atmosferycznego nie udawało się zaobserwować przejścia w stan metaliczny. William Nellis i jego współpracownicy postanowili pójść inną drogą i poddać ciśnieniu wodór w stanie ciekłym. Próbkę cieczy umieszczano między specjalnymi kowadełkami wykonanymi z tlenku aluminium i stosując metodę udarową uzyskiwano wysokie ciśnienia 80 180 GPa. Przypomnijmy, że ciśnienie atmosferyczne wynosi zwykle około 1000 hPa, czyli około 105 Pa. Ciśnienie 100 GPa, czyli 1011 Pa jest więc około milion razy większe od atmosferycznego.

Badacze amerykańscy dokonywali pomiaru oporu właściwego poddawanej ściskaniu próbki. Zgodnie z oczekiwaniami okazało się, że przy wzroście ciśnienia od 80 do 140 GPa opór właściwy ciekłego wodoru malał wykładniczo o prawie cztery rzędy wielkości. Tymczasem począwszy od 140 GPa opór właściwy przestał zależeć od ciśnienia, pozostając przy wartości około 500 mV 3 cm, typowej dla ciekłych metali alkalicznych, jak cez i rubid. Wynik ten dowodzi, że próbka przeszła w stan metaliczny.

Fizyka zjawiska jest taka, że zastosowanie wysokiego ciśnienia spowodowało zmniejszenie się przerwy energetycznej między pasmami do około 0.3 eV. Była to wartość porównywalna z energią ruchu termicznego elektronów w temperaturze 3000 K występującej w doświadczeniu, toteż część z nich mogła przechodzić do pasma przewodnictwa, nadając próbce wodoru właściwości metaliczne.

Wyniki doświadczalne Nellisa i kolegów odbiegają od dotychczasowych przewidywań teoretycznych, według których opór właściwy metalicznego wodoru miał być około 100 razy mniejszy. Otrzymanie metalicznego wodoru ma wielkie znaczenie nie tylko dla lepszego zrozumienia zjawiska przechodzenia pierwiastków w stan metaliczny, ale także dla fizyków zajmujących się fuzją jądrową, a przede wszystkim dla astronomów, którzy będą mogli zbudować znacznie bardziej realistyczne modele budowy Jowisza i innych planet-gigantów Układu Słonecznego, które składają się przeważnie z wodoru. Na przykład w centralnej części Jowisza panuje ciśnienie kilkadziesiąt milionów razy większe od naszego ciśnienia atmosferycznego oraz temperatura kilkadziesiąt tysięcy kelwinów. W tych warunkach znajdujący się tam wodór musi być w stanie metalicznym. Obecne dane laboratoryjne pozwolą lepiej oszacować rozmiary metalicznego jądra.

Najnowsze odkrycia w fizyce mikroświata były przedmiotem referatów i dyskusji podczas XXVIII Międzynarodowej Konferencji Fizyki Wysokich Energii, której zaszczyt organizacji po raz pierwszy przypadł Polsce. W ostatnim tygodniu lipca 1996 roku, kiedy udział w obradach brało 900 fizyków z 53 krajów, Warszawa była stolicą fizyki cząstek elementarnych.

Wszyscy oczekiwali z niecierpliwością na referat omawiający wyniki świadczące o istnieniu struktury kwarków. Jednak sensacji nie było. Po drobiazgowej analizie wyników dwóch rywalizujących kilkusetosobowych zespołów ustalono, że wprawdzie ich doświadczenia dają bardzo podobne rezultaty, ale różnica w stosowanych metodach teoretycznych prowadzi do nieco odmiennych wniosków. Zgodzono się więc, że obecnie nie można jeszcze mówić o odkryciu struktury kwarków, należy natomiast znacznie polepszyć obraz teoretyczny, zwłaszcza wyjaśnić rolę gluonów.

Przypomnijmy, że według obecnych poglądów kwarki są najmniejszymi (i nadal uważanymi za niepodzielne) składnikami protonów, neutronów i wielu innych cząstek, a gluony spełniają rolę „kleju”, który te kwarki spaja (ang. glue – klej). Sposób układania się kwarków i gluonów w cząstkach fizycy opisują za pomocą funkcji struktury. Ich znajomość w przypadku gluonów pozostawia wiele do życzenia, toteż pogłębienie naszej wiedzy w tej dziedzinie to program na najbliższe lata.

Wielką sensacją konferencji warszawskiej było przedstawienie przez fizyków japońskich zupełnie jeszcze „gorących” wyników z ostatnich tygodni, dotyczących obserwacji neutrin słonecznych. Neutrina należą nadal do najbardziej tajemniczych cząstek i do tej pory, na przykład, nie wiadomo, czy i jaką mają masę. Należą one do najbardziej rozpowszechnionych w przyrodzie cząstek, powstają między innymi w procesach jądrowych we wnętrzach Słońca oraz gwiazd i jest nimi wypełniony cały Wszechświat. W każdej sekundzie przez nasze ciało przechodzą tysiące neutrin, ale tego zupełnie nie odczuwamy, ponieważ cząstki te niezwykle słabo oddziałują z materią i mogą nawet ze znacznym prawdopodobieństwem przenikać bez trudu przez kulę ziemską.

Uruchomiony ogromny detektor cząstek zwany Superkamiokande, został „wycelowany” w Słońce w celu zmierzenia docierającego do nas stamtąd strumienia neutrin. Imponujące rozmiary detektora zawierającego aż 50 tys. ton ultraczystej wody, otoczonej siecią fotopowielaczy rejestrujących promieniowanie powstające przy oddziaływaniu neutrin z materią, pozwoliły naukowcom po raz pierwszy prowadzić badania na nieosiągalnym wcześniej poziomie. Już w poprzednich eksperymentach „teleskopy neutrinowe” wykazywały tylko około połowy strumienia neutrin oczekiwanego na podstawie znajomości ilości energii wysyłanej przez Słońce. Trwające od lat sześćdziesiątych badania były niezwykle trudne, wymagały zauważenia bardzo słabego sygnału i dawały wyniki obarczone dużymi błędami. Nie wszyscy więc byli przekonani, że obserwowany deficyt liczby neutrin ze Słońca został dobrze oceniony.

Tymczasem w ciągu dwóch miesięcy fizycy japońscy uzyskali wyniki porównywalne z tymi, które przedtem żmudnie zbierano przez długie lata. „Kryzys neutrinowy” został potwierdzony ponad wszelką wątpliwość i teraz przed fizykami i astrofizykami staje poważne zadanie znalezienia wyjaśnienia tego faktu.

Możliwości jest kilka. Wszyscy raczej odrzucają tę, że pomyłka leży w przyjętym przez astrofizyków modelu Słońca, ponieważ świetnie sprawdza się on w innych sytuacjach. Bardziej prawdopodobne wydaje się, że neutrina są obdarzone niewielką masą, o czym przebąkiwano od dawna, mimo podręcznikowego stwierdzenia, że są to cząstki o masie zerowej. Ta możliwość tłumaczyłaby też kontrowersyjne wyniki eksperymentu zespołu LSND z Los Alamos (patrz: Czy neutrino ma masę?, „WiŻ” nr 1/1996). Jest wreszcie hipoteza z pogranicza science fiction, że ze Słońca wysyłane są neutrina „sterylne”, które nie dają o sobie znać w ziemskich detektorach.

We wrześniu, już po konferencji warszawskiej, pojawiły się wyniki dokładnej analizy zmienności w czasie obserwowanego na Ziemi strumienia neutrin słonecznych. Już przedtem ustalono, że strumień ten – wbrew wcześniejszym podejrzeniom – nie jest skorelowany ze zmianami aktywności słonecznej. Obecnie dwaj fizycy ze Stanfordu, Peter Sturrock i Günther Walther, przeanalizowali wszystkie dane światowe i doszli do wniosku, że liczba neutrin dochodzących ze Słońca zmienia się periodycznie z okresem 21.3 dni. Trzeba będzie znaleźć wytłumaczenie tej periodyczności.

Na konferencji w Warszawie przedstawiono także sensacyjne wyniki uzyskane w Europejskim Laboratorium Fizyki Cząstek CERN pod Genewą przy badaniu zderzeń jąder ołowiu rozpędzonych w tamtejszym potężnym akceleratorze. Po raz pierwszy uzyskano mocny dowód na powstawanie w takich zderzeniach nowego stanu materii, tzw. plazmy kwarkowo-gluonowej, w której te cząstki są ze sobą chaotycznie wymieszane w pewnej objętości, a nie „poukładane”, tak jak w protonach, neutronach i innych cząstkach.

Według naszej wiedzy taki stan materii istniał w pierwszych chwilach po Wielkim Wybuchu, z którego powstał Wszechświat. Przy zderzeniu dwóch jąder ołowiu ponad 400 nukleonów (protonów i neutronów) znajduje się przez krótką chwilę sprasowane w bardzo niewielkiej objętości. Ocenia się, że gęstość energii osiąga wtedy momentalnie wartość przewyższającą 2.5 gigaelektronowoltów na femtometr sześcienny. Jest to gigantyczna wielkość. Żeby ją przybliżyć wyobraźni powiemy, że jest to gęstość, jaka powstałaby gdyby w objętości główki od szpilki (około 1 mm3) skupić momentalnie energię, jaką cała nasza planeta otrzymuje od Słońca w ciągu 73 lat!

„Zupa” kwarkowo-gluonowa powstająca przy tak gigantycznej gęstości energii bardzo skutecznie wpływa na cząstki, które są układami kwark-antykwark. Efekt takiego „rozpuszczania” cząstek w tej gorącej „zupie” zaobserwowano eksperymentalnie, badając częstość występowania cząstki J/psi, łatwej do wydzielenia spośród „szumu” innych sygnałów.

Spośród wielu ważnych wyników przedstawionych i dyskutowanych na konferencji warszawskiej wymieńmy jeszcze usunięcie – dzięki powtórzeniu analizy doświadczalnej – pewnych rozbieżności, które w ciągu ostatniego roku rzucały cień na poprawność tzw. Modelu Standardowego – obowiązującego obrazu mikroświata (patrz: Czy neutrino ma masę?, „WiŻ” nr 1/1996). Jak się wyraził jeden z referentów, wbrew rozsiewanym pogłoskom o złym stanie zdrowia tego modelu, ma się on świetnie, a coraz liczniejsze i dokładniejsze pomiary wprost nieprzyzwoicie dobrze zgadzają się z przewidywaniami teorii. Ostatnio tak przyzwyczailiśmy się do odkrywania nowych pierwiastków, że prawie bez echa przeszło doniesienie o otrzymaniu w Instytucie Ciężkich Jonów (GSI) w Darmstadt pierwiastka nr 112 (patrz: Synteza nowego pierwiastka, „WiŻ” nr 4/1996). Jest więc coraz bliżej do oczekiwanej dla pierwiastka nr 114 „wyspy stabilności”.

Miniony rok przyniósł dalsze postępy w badaniu otrzymanego w ubiegłym roku kondensatu Bosego-Einsteina (patrz: Czy neutrino ma masę?, „WiŻ” nr 1/1996). W krótkim czasie po pierwszym eksperymencie, w którym zaobserwowano taki kondensat w układzie około 2000 atomów rubidu, w kilku innych laboratoriach uzyskano kondensat atomów litu i sodu oraz znacznie powiększono liczbę manipulowanych atomów. W maju zespół z MIT ogłosił o otrzymaniu kondensatu złożonego aż z 5 mln atomów. W tym wypadku ten niezwykły twór miał już całkiem duże rozmiary, około 150 mm długości i 8 mm średnicy, można więc go było sfotografować przy użyciu czułej kamery.

Ciekawych odkryć dokonuje się jednak nie tylko w badaniach obiektów mikroświata. Oto, na przykład, zespół fizyków amerykańskich z Brookhaven i Uniwersytetu Stanu Oregon doniósł o otrzymaniu wolframianu cyrkonu, który w odróżnieniu od znanych materiałów kurczy się wraz ze wzrostem temperatury w dużym zbadanym przedziale 0.3-1050 K.

Dotychczas znano jedynie nieliczne substancje, które wykazywały anomalie rozszerzalności cieplnej w niewielkim zakresie temperatury, albo tylko w jednym wymiarze (na przykład niektóre materiały ceramiczne kurczą się w jednym wymiarze, ale zwiększają długość w pozostałych dwóch). Nowa substancja o składzie chemicznym ZrW2O8 wykazuje ujemny współczynnik rozszerzalności cieplnej we wszystkich trzech wymiarach i z pewnością znajdzie szerokie zastosowanie w produkcji materiałów złożonych, potrzebnych w sytuacjach, w których wymagane jest zmniejszenie rozszerzalności cieplnej do minimum.

I co dalej ?

Być może więc znaleziono rozwiązanie słonecznej układanki. Brakujące nie rejestrowane neutrina ze słonecznego strumienia mogą być na przykład neutrinami taonowymi, które powstawałyby przez oscylację, a które jak wiadomo nie zostały jeszcze wychwycone przez żaden z detektorów. A może istnieje czwarty, „sterylny” rodzaj neutrin nie wykryty do dziś? Sytuacja jak w przypadku Pauliego z 1930 r. może się przecież powtórzyć.
Fizycy maja jedną wadę (w ich przypadku raczej zaletę) – nie zawsze wierzą otrzymanym wynikom. To co odkryło Super Kamiokande musi zostać potwierdzone przez inne eksperymenty. Ciągle przecież działa Gallex (obecnie GNO), pomimo kłopotów finansowych badania prowadzi SAGE, rozkręca się SNO. Dodatkowo potwierdzenia wyników SK podjęli się naukowcy z zespołu K2K. Do większych eksperymentów (obecnych i przyszłych) zajmujących się neutrinami słonecznymi należą jeszcze NUSEX i BOREXINO w Gran Sasso Laboratory. Prowadzone jest również wiele drobnych eksperymentów badających zjawisko oscylacji (działają one przy większości reaktorów). Proponowane są również eksperymenty nowego typu (tzw. Long Baseline Experiment), gdzie strumień neutrin z kontrolowanego źródła – np. akcelerator – ma zostać skierowany na jeden z detektorów, w którym będzie można zbadać ilość oscylujących cząstek. Planuje się m.in. przejęcie przez obserwatorium Gran Sasso neutrin wysłanych z CERN pod Genewą. Poniższy rysunek to uproszczony schemat podobnego eksperymentu, który ma zostać wykonany pod patronatem ICRR:

Pozostaje jednak wciąż pytanie czy oscylacje całkowicie tłumaczą słoneczny deficyt. Może istnieją inne rozwiązania?
Proces oscylacji jest tak dokładnie opracowywany, ponieważ może on, poza kryzysem słonecznym, pomóc w rozwiązaniu innych problemów obecnej fizyki cząstek. Jednym z nich jest brakująca masa wszechświata.

Ciemna materia.

Pomysł wyszedł od kosmologów. Ogólnie wiadomo, że najbardziej powszechnymi oddziaływaniami w przestrzeni kosmicznej są oddziaływania grawitacyjne. Jak to wykazał Izaak Newton siła, z jaka oddziałują na siebie dwa ciała jest proporcjonalna do iloczynu ich mas, zatem aby zrozumieć jak oddziałują na siebie poszczególne obiekty we wszechświecie należałoby określić średnią wartość ilości masy w danej objętości przestrzeni kosmicznej, czyli po prostu średnią gęstość wszechświata. Zastąpiono ją w obliczeniach tzw. parametrem gęstości ?.
Na podstawie opublikowanej przez Einsteina w 1916 roku ogólnej teorii względności rosyjski matematyk Aleksander Friedman wykazał, iż wszechświat na pewno nie jest statyczny – rozszerza się lub kurczy. Przewidywania te zostały potwierdzone w kilkanaście lat później przez Edwina Hubble`a na podstawie kilkuletnich obserwacji wielu galaktyk. Jeśliby przełożyć kierunek ekspansji wszechświata na jego zależność od ?, to najlepiej obrazuje to rysunek:

Parametr ? to inaczej iloraz rzeczywistej gęstości wszechświata i tzw. wartości krytycznej, zatem jeżeli byłby on mniejszy od jedności (gęstość mniejsza od krytycznej) to masa wszystkich obiektów we wszechświecie byłaby zbyt mała by utrzymać się nawzajem i wszechświat rozszerzałby się wiecznie. Odwrotnie byłoby w przypadku gdyby parametr ? był większy od jeden – wówczas w pewnym momencie materia poprzez oddziaływania grawitacyjne wytraciłaby impet otrzymany w Wielkim Wybuchu i zapadłaby się z powrotem.
Pozostało więc określić poprzez pomiary wartość gęstości wszechświata. Z pomocą przyszły tutaj obserwacje Jana Oorta. Oszacował on na podstawie obserwacji gwiazd masę naszej galaktyki i okazała się ona dwa razy większa od potwierdzonej przez obserwacje teleskopowe. Wynikało więc z tego, że część materii jest niewidzialna. W rok później podobny wynik otrzymał Fred Zwicky na podstawie obserwacji gromady Warkocza Bereniki. Galaktyki poruszają się w niej na tyle szybko, że składająca się na nie obserwowana materia nie mogłaby jej utrzymać w całości. Gdybyśmy chcieli zsumować masę całego wszechświata zawartą w olbrzymich galaktykach, zawierających miliardy gwiazd cięższych nieraz od Słońca, licznych galaktykach– satelitach, dodać do tego supermasywne czarne dziury w środkach galaktyk to i tak po podzieleniu otrzymanego wyniku przez zajmowaną przez nie objętość dostalibyśmy wartość niższą od krytycznej. Pomiary wykazały jednak niezbicie istnienie nie dającej się zaobserwować materii. Istnieje na to jeszcze jeden argument – zgodnie z powszechnie przyjętym modelem Wielkiego Wybuchu w pierwszych chwilach powstawania wszechświata jego gęstość musiała być z konieczności równa wartości krytycznej.
„Ciemna materia”, czyli coś niezaobserwowanego już jakby z definicji nie może emitować żadnego rejestrowalnego promieniowania – światła widzialnego czy innych fal elektromagnetycznych. Jeżeli jednak astronomowie nie mogą jej zobaczyć, to postępują z nią podobnie jak z czarnymi dziurami. Ich również nie widać, jednak obserwuje się ich wyraźny wpływ na otoczenie.
Czym jest więc ciemna materia? Fizycy wymyślili wiele odpowiedzi na to pytanie. Wiemy na pewno, że nie składają się na nią bariony, czyli ciężkie cząstki typu neutronów czy protonów. Idealnym kandydatem są więc neutrino i antyneutrino. Pasują dokładnie do teorii – nie oddziałują z materią zatem nie mogą być rejestrowane i mają znikomo małą masę (ale za to są liczne). Znamy już w przybliżeniu masę neutrin (m?e<5eV, m?? <170keV, m?? <18.2MeV) oraz możemy określić ile tych cząstek powstało przy Wielkim Wybuchu – jest ich około miliard razy więcej niż protonów czy elektronów, zatem jeżeli wartość masy neutrin byłaby zgodna z rzeczywistością (bliższa górnej granicy) to całkowita masa neutrin byłaby około pięć razy większa od masy wszystkich protonów, będących głównym składnikiem materii barionowej. Masa jąder helu to ok. 1/3 masy protonów, a ponieważ są one wraz z protonami głównymi składnikami materii, zatem na neutrina przypadałoby cztery razy więcej masy niż na wszystkie postaci zwykłej materii, znane z obserwacji wszechświata.
Neutrina nie rozwiązują problemu ciemnej materii, lecz przynajmniej upraszczają go i wskazują możliwe przyszłe rozwiązanie. Skądinąd ciekawe ile nieznanych dotąd cząstek czeka jeszcze na odkrycie?

Potęga energii słonecznej stanowiła tajemnicę od czasu , gdy człowiek po raz pierwszy spojrzał w rozjaśnione niebo w ciągu dnia i zastanawiał się nad przyczyną pozornie niewyczerpalnego źródła światła i ciepła .

Nie powinno nikogo dziwić , że w jakimś okresie dziejów ludzie wszystkich ras czcili Słońce, naszą najbliższą gwiazdę , która z niezmącona regularnością darzy nas światłem i ciepłem , które umożliwia wzrost plonów i zmienia noc w dzień i ma z pewnością wiele atrybutów boskich . Również cała współczesna wiedza zawiera wiele sugestii dotyczących procesów zachodzących we wnętrzu i na powierzchni Słońca, które są źródłem jego niezwykłej potęgi .

Najłatwiejszym do zaobserwowania rodzajem promieniowania dochodzącego do Ziemi jest światło , jest ono jednak wycinkiem ogromnego strumienia informacji ze Słońca . Przecież odczuwamy promieniowanie podczerwone , które rozpoznajemy jako ciepło , czy też skutki promieni UV odpowiedzialnych za opaleniznę . Stwierdzono doświadczalnie , że do Ziemi docierają fale z praktycznie całego zakresu częstotliwości . Atmosfera ziemska musi wciąż odpierać napór szkodliwego dla organizmów żywych promieniowania rentgenowskiego, a strumienie słonecznej plazmy wywołują w jej górnych warstwach m.in. zjawiska zorzy polarnych .

W roku 1927 Arthur Eddington zasugerował , że źródłem słonecznej energii może być przemiana jednego z pierwiastków w drugi . (Podstawową przesłanką powstałej hipotezy było stwierdzenie , że Słońce składa się głównie z wodoru i helu ). Pod dostatecznie wysokim ciśnieniem i przy odpowiedniej temperaturze atomowe jądra wodoru mogą się łączyć tworząc jądro helu . Skutkiem takiej syntezy jest wyzwalanie się gigantycznych ilości energii . Obliczenia wykazywały , że jeśli wodór będzie ” spalany ” w ten sposób , wówczas proces ten będzie trwał kilkanaście miliardów lat .

Sformułowana przez Eddingtona teoria syntezy termonuklearnej została udoskonalona przez amerykańskiego fizyka Hansa Bethe , który doszedł do wniosku , że niewielka ilość jąder węgla w Słońcu może działać jako swego rodzaju samopowielający się katalizator , wspomagający syntezę wodoru . Model ten stanowi podstawę współczesnej hipotezy wyjaśniającej wytwarzanie energii wewnątrz gwiazd .

Logiczną konsekwencją takiego opisu słonecznej dynamiki jest model jego wewnętrznej budowy , którego nigdy nie będzie można bezpośrednio zweryfikować . Głęboko we wnętrzu Słońca , przy niezwykle wysokiej temperaturze i pod ogromnym ciśnieniem , odbywa się synteza wodoru . Atomy tego pierwiastka zbliżają się do siebie w temperaturze 15 000 000 o C , tworząc materię dwunastokrotnie gęstszą od ołowiu . W tych niewyobrażalnych warunkach energetycznych nieustannie i w sposób kontrolowany eksploduje coś , co jest w istocie olbrzymią bombą wodorową .

Skąd Słońce bierze paliwo do wytworzenia tego promieniowania ?
Wiadomo że energia nie może powstać z niczego , określono więc , że jej źródłem jest po prostu materia , z której zbudowane jest Słońce .
Jak wiadomo wszystko składa się z atomów , a te z jądra i krążących wokół niego elektronów Zaś jądro składa się z protonów i neutronów . Poza tymi składnikami materii istnieje istnieje jeszcze wiele innych cząstek , a wśród nic tajemnicze neutrino . Najbardziej powszechnym pierwiastkiem we wszechświecie jest wodór . Posiada on trzy izotopy , to znaczy odmiany różniące się ilością neutronów w jądrze . Na przykład : zwykły wodór (H) składa się z protonu i krążącego wokół niego elektronu , to deuter (D) zawiera w jądrze dodatkowy neutron ( elektrycznie obojętny , więc nie zmienia ładunku atomu ) , a tryt aż dwa takie neutrony . Drugim , mniej powszechnym pierwiastkiem jest hel , mający w normalnej postaci dwa neutrony i protony w jądrze , jednak w procesach energetycznych wewnątrz Słońca bierze udział głównie jego izotop z jednym neutronem .

Zatem te dwa pierwiastki są głównymi składnikami Słońca . W wyniku reakcji nuklearnych we wnętrzu gwiazdy atomy zmieniają swój skład . Jądra pierwiastków o wielu protonach i neutronach mogą się rozpadać , a te z mniejszą ich ilością łączyć się w większe jądra .

Podczas zderzenia dwóch jąder atomów wodoru ładunek jednego z nich przekazany zostaje emitowanemu podczas reakcji pozytonowi (cząstka o cechach elektronu , ale o przeciwnym znaku ładunku elektrycznego – e+ ) , wskutek czego ” staje ” się on neutronem i wraz z drugim protonem tworzy jądro deuteru . Dodatkowo podczas reakcji powstaje neutrino (u) .
Jeżeli rozpędzony pozyton napotyka na swej drodze jeden z wielu swobodnie poruszających się elektronów (we wnętrzu gwiazd atomy utraciły prawie wszystkie , więc wraz z jonami przemieszczają się one swobodnie względem siebie ) anihiluje z nim emitując porcję energii .
Z kolei jeśli z powstałym w poprzedniej reakcji deuterem zderzy się kolejny proton , cząstki połączą się w atom 3He (dwa protony i neutron ) , a w przestrzeń zostanie wydzielony kolejny kwant promieniowania .

Atomy izotopu 3He nie występują w Słońcu zbyt licznie . Powodem tego jest to , że prawie natychmiast , zderzając się między sobą łączą się w większe atomy innego izotopu 4He . Wskutek zderzenia wytrącane są w przestrzeń dwa protony . Koło reakcji więc zamyka się ….
Jest to tzw. Proces proton – proton .

Stwierdzono doświadczalnie , że masa jądra 4He jest nieco mniejsza od masy czterech protonów . Zgodnie z równaniem Ensteina łączącym masę i energię , brakująca masa musiała wypromieniować . Jej częścią była masa uciekającego pozytonu , który jednak szybko oddał ją wszechświatowi jako energię przy anihilacji z elektronem . Inna porcja energii została oddana podczas powstawania jądra 3He . Tak więc w ogromnej elektrowni jądrowej , jaką jest Słońce , podczas przemiany wodoru w hel zostaje wypromieniowana na zewnątrz energia powstała z masy cząstek .

W gwieździe zachodzi równolegle wiele innych , bardziej skomplikowanych procesów . Nie mają one większego znaczenia dla bilansu energetycznego , należałoby przedstawić jeszcze jedną , złożona reakcję . Jest to proces , w którym powstają cięższe pierwiastki .
Podczas zderzeń jąder dwóch izotopów helu powstaje izotop berylu 7Be (oraz pewna ilość energii )
Po kolejnym zderzeniu z jądrem pojedynczego atomu wodoru beryl siedem przekształca się w nowy pierwiastek – bor . Ten ostatni z kolei po wyemitowaniu kwantu energii zmienia się z powrotem w beryl (nowy izotop 8Be ) i wydaje w przestrzeń cząstki : pozyton i neutrino
(jest to możliwe dzięki rozpadowi b (beta) .
Oba procesy są bardzo ważne właśnie ze względu na tę ostatnią cząstkę .
Podczas wielu reakcji tego typu produkowane są duże ilości wysokoenergetycznych neutrin , które unoszą ze sobą część energii (masy) Słońca .

Czym jest neutrino ?
Jak powiedział F. Reines jest to ” …. najmniejsza ilość rzeczywistości jaka kiedykolwiek wyobraził sobie człowiek ” . Dlatego ta cząstka nigdy nie przestanie zadziwiać i przyprawiać o zawrót głowy tych , którzy podejmą się jej detekcji .

Oscylacje neutrin.

Kwarki a także neutrina składające się na materię wcale nie są od siebie niezależne. Pomiędzy nimi istnieje dozwolony przez mechanikę kwantów mechanizm oscylacji. Polega on na zamianie jednej cząstki elementarnej w drugą podczas jej podróży przez wszechświat. W taki więc sposób, poruszające się z prędkością bliską światłu neutrino, powiedzmy, elektronowe, może nagle stać się mionowym i vice versa. A dlaczego bliska światłu a nie równą owym prawie trzystu tysiącom km/s?
Otóż w tym momencie pojawia się problem. Zgodnie z prawami fizyki proces oscylacji może wystąpić tylko w przypadku cząstki posiadającej masę co niestety nie jest zgodne z przyjętym modelem standardowym. Jedną z jego fundamentalnych części jest tzw. dwuskładnikowa teoria neutrin. Zakłada ona, że neutrino i jego antycząstka różnią się od siebie tylko skrętnością (wyjaśniłem to we fragmencie o antymaterii). W przypadku cząstek nie można mówić o ich rotacji wokół osi, więc spin – czyli fizyczny moment pędu przedstawia się tylko jako wektor skierowany zgodnie lub przeciwnie do kierunku ruchu. Jeżeli dana cząstka porusza się z prędkością światła, to jej spin ma wartość absolutną (niezmienną). Co innego, jeżeli ma ona masę. Wówczas nie może już osiągnąć maksymalnej prędkości i, w zależności od przyjętego obserwatora, jej spin może zmieniać zwrot. Dlatego też model standardowy zakłada brak masy neutrin. Zatem jeżeli dowiedzie się oscylacji, upraszczając przy tym problem neutrin słonecznych, należy się wówczas pożegnać z aktualnym spojrzeniem na fizykę cząstek.
Pierwsze informacje o możliwej oscylacji neutrin doszły od znanego już ze swego zainteresowania tymi cząstkami F. Reinesa z jego eksperymentu przeprowadzonego przy tym samy reaktorze co słynne odkrycie z 1956 r. czyli Savannah River. Do dzisiaj jest prowadzona duża liczba eksperymentów mających dowieść możliwość zajścia oscylacji neutrin opierających się na różnych reakcjach i metodach obserwacji.
Głośne odbicie w światku fizyków znalazły ogłoszone w 1995 roku rezultaty eksperymentu prowadzonego w Los Alamos. Wyniki przemawiały za zachodzącą regularnie przemianą części neutrin mionowych w elektronowe. Doświadczenie było bardzo podobne do tego przeprowadzonego w latach sześćdziesiątych przez Schwartza, Ledermana i Steinbergera. Protony z akceleratora (LAMPF) trafiały do zbiornika z wodą, co powodowało dosyć obfitą produkcję mezonów ?, które w swoim późniejszym rozpadzie produkowały neutrina i antyneutrina mionowe. Te po przebyciu około 30 m trafiały na detektor antyneutrin elektronowych (LSND – Liquid Scintillator Neutrino Detector). W ciągu czterech miesięcy pomiarów zaobserwowano 80 zdarzeń związanych z antyneutrinami elektronowymi, z czego około 40 to cząstki pochodzące z tła (promienie kosmiczne). Zatem pozostała reszta to wyraźny wynik oscylacji neutrin mionowych w elektronowe.
Na podstawie tych danych określono różnicę mas dwóch rodzajów neutrin na około 2.4 eV. Jednostka ta ma pochodzenie mechaniczno-kwantowe. Elektronowolt jest w fizyce jednostką energii, a stała się miarą masy dzięki równaniu E=mc2 Alberta Einsteina. Po części stało się to w celu uproszczenia równań mechaniki kwantów, w której stałą prędkość światła traktuje się jak jedność. Po uwzględnieniu tego faktu 1eV można przyrównać bardziej „ziemskiej” wielkości 1.8 10-36 kg.
Jednak pomimo zaskakujących rezultatów wyniki nie zostały dobrze przyjęte, a to z powodu skandalu. Autorzy raportu opublikowali go w pierwszej kolejności w „New York Timesie”, a nie w periodykach światka naukowego, co było powodem złamania zasad protokołu i tym samym nieżyczliwego stanowiska naukowców.

Znając odległość jaką przebywa neutrino można określić jakie jest przy tym prawdopodobieństwo zajścia oscylacji jednego typu w drugi. Do obliczeń stosuje się wówczas wzór:
Gdzie L jest przebytym przez cząstkę dystansem, ?m2 kwadratem różnicy mas dwóch rodzajów neutrin, a E energią niesioną przez cząstkę (wyznaczaną z modelu słonecznego).
Dla danego kąta ? prawdopodobieństwo jest największe przy
zatem w celu określenia małej różnicy mas cząstek stosunek L/E powinien być jak największy. Dla mniejszych odległości taką samą wartość ?m można otrzymać przy mniejszej energii neutrina.

Pierwszy eksperyment potwierdzający zachodzenie oscylacji wykonał zespół złożony ze 114 naukowców i studentów pochodzących z 23 ośrodków naukowych w Japonii i Stanach Zjednoczonych. W tym zespole znalazła się również Polka – Danuta Kiełczewska z Instytutu Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Jak na to wskazuje sama nazwa, eksperyment został oparty na doświadczeniach poprzednio wykonanego KM III i należy do obserwatorium ICRR w Kamioce.

Detektor Super Kamiokande znajduje się około 1000 m pod ziemią (co równoważy około 2700 m osłony wodnej) w nieczynnej obecnie kopalni Mozumi. Miejsce to nie jest przypadkowe. Poza tym, że należy do Kamioka Mining and Smelting Company związanej od dawna z projektem Kamiokande, to również korzystna dla naukowców jest wartość promieniowania naturalnego w tym miejscu. Tło wynosi tam tylko około jednego neutronu na rok.
Detektor został ukończony w 1995 r. Jest on podobnie jak w KM III zbiornikiem wodnym w kształcie walca, jednak tym razem dużo potężniejszym – 41.4 m wysokości i 39.3 m średnicy. Zawiera on ponad 50 000 ton wody rozmieszczonej w dwu częściach – po 32 i 18 tys. ton w odpowiednio wewnętrznej i zewnętrznej części zbiornika. Część zewnętrzna służy do osłony przed tłem (kosmiczne miony i niewielka promieniotwórczość naturalna otoczenia detektora).

Ściany wewnętrznego zbiornika pokryto ponad 11 tysiącami fotopowielaczy mogącymi wykryć nawet pojedyncze fotony promieniowania Czerenkowa. Zostały one wyprodukowane jako prezent dla projektu SK przez HAMAMATSU Co. Aby zwiększyć dokładność modułów PMT powierzchnię ścian za nimi pokryto białymi arkuszami polietylenu nie pochłaniającymi światła, wprowadzono również korekcję sprawności fotopowielacza (przy późniejszych obliczeniach), a w celu wyeliminowania wpływu ziemskiego pola magnetycznego na działanie PMT w detektorze wbudowano 26 zestawów cewek Helmholtza. Jednak pomimo tego rejestruje się zaburzenia przy pomiarach pochodzące z określonego punktu na wschodzie od detektora, spowodowane asymetrią ziemskiego pola magnetycznego.
Zbiornik detektora napełniono na początku 1996 roku (zdjęcie).

Rezultaty 535 dni pomiarów zostały po raz pierwszy przedstawione na konferencji Neutrino `98 w Takayamie (4-9 czerwca 1998). W ciągu pierwszych 300 dni pomiarów zarejestrowano więcej neutrin niż podczas przeszło 2000 dni badań dawnego Kamiokande.
Wyniki przewidywano przy pomocy odpowiedniego oprogramowania i symulacji Monte Carlo. Do zbadania hipotetycznego zjawiska oscylacji wykorzystano neutrina powstające w atmosferze ziemskiej. Tworzą się one głównie w dwóch reakcjach:
oraz
Można zatem prosto obliczyć, że neutrin (i antyneutrin) typu mionowego jest dwa razy więcej niż elektronowych. W obliczeniach przyjęto błąd dla tej wielkości rzędu 5%. Wyznaczono również inny stosunek. Miał on służyć do porównania wartości zmierzonej strumienia odpowiednich cząstek z wartościami przewidzianymi symulacją MC.
Można więc zapisać:
gdzie czynnik oznaczony indeksem DATA to stosunek strumieni neutrin mionowych i elektronowych zmierzony w doświadczeniu, a MC to identyczny stosunek przewidziany z pomocą komputera. Gdyby w przypadku neutrin nie zachodził proces oscylacji, to wyznaczone R byłoby jednością, więc uzasadniona mniejsza wartość R mogłaby być dowodem istnienia mieszania typów cząstek, celem eksperymentu było jej dokładne wyznaczenie. Późniejsze opracowanie wyników ustaliło wielkość R na 0.66 ±0.06 (stat.) ±0.08 (syst.), co daje około 30 procentowy deficyt.
Istnieje przy tym problem rozróżnienia, czy zauważone przez fotopowielacze reakcje zostały wywołane przez neutrina elektronowe czy mionowe. Otóż można to określić z 99% pewnością, wykorzystując do tego nazwijmy to aktywność danej cząstki. Mion powstający po zderzeniu neutrina mionowego z wodą słabo reaguje z otoczeniem, zatem nie porusza się zbytnio na swojej drodze do PMT. Co innego w przypadku elektronu. Oddziałuje on na tyle silnie, że dają się wykryć nieregularności stożka promieniowania Czerenkowa wywołane jego ruchem.
Dzięki systemowi fotopowielaczy możliwe jest dokładne określenie z jakiego kierunku nadleciało reagujące neutrino (pozwoliło to nawet na uzyskanie pierwszej „fotografii” Słońca w świetle neutrinowym, na której biała barwa odpowiada największej liczbie zarejestrowanych cząstek).
Rejestrowany strumień podzielono na dwie zasadnicze części – cząstki, które przybyły prosto z atmosfery (po przebyciu ok. 20 km) i te przybywające „spod” detektora, czyli podróżujące około 13 000 km przez wnętrze Ziemi. Zgodnie ze wzorem na prawdopodobieństwo oscylacji, jest ono wprost proporcjonalne do przebytej przez cząstkę odległości, zatem druga część strumienia miała większą szansę zmiany generacji.
Jeżeli oscylacje naprawdę zachodzą, to wyjaśnia to również po części problem pewnych różnic pomiędzy strumieniem rejestrowanym w nocy i w dzień (Słońce nad detektorem), jakkolwiek są one niewielkie. Wykorzystano to w SK.
Do obliczeń wprowadzono również nową wielkość – asymetrię, która miała obrazować zależność między strumieniami cząstek lecących „w górę” i „w dół”.
Jeśli więc oznaczyć przez D ilość neutrin przybywających wprost z atmosfery (lecących w dół), a ilość podróżujących przez Ziemię przez U, to asymetrię A można przedstawić wzorem:
Ze względów technicznych i właściwości detektora przyjęto za strumień U te cząstki, dla których istnieje zależność –1Równanie to można by przyrównać do zera, gdyby ilość neutrin danego rodzaju w strumieniu nie zależała od kierunku, z którego przybyły. Z zebranych przez zespół SK danych udało się ustalić wartość asymetrii dla obu generacji neutrin. W przypadku neutrin elektronowych odchylenia od wartości zero są niewielkie i wynikają raczej z błędów systematycznych, jednak dla cząstek z drugiej generacji występuje wyraźna asymetria. Jej wartość wynosi:

A?= ?0.296 ±0.048 (syst.) ±0.01 (stat.)

Wynik ten można przyjąć za pewny, ponieważ wystąpiło ponad 6 odchyleń standardowych. Rysunek niżej zawiera oryginalne wykresy asymetrii w funkcji momentu wykonane przez SK:

Zgodnie z powyższymi założeniami niezerowa wartość asymetrii niezaprzeczalnie dowodzi istnienia procesu oscylacji neutrin. Co ciekawe, nie udało się wyjaśnić braku asymetrii w przypadku neutrin elektronowych. Jakby przy okazji Super Kamiokande dokonał rewolucji w fizyce cząstek – określił jako niezerowa masę przynajmniej jednego z neutrin (konieczny warunek różnego od zera prawdopodobieństwa oscylacji).

Sudbury Neutrino Observatory

SNO to kolejny eksperyment bazujący na detekcji promieniowania Czerenkowa, w odróżnieniu jednak od Super Kamiokande w tym przypadku zbiornik zawiera ciężką wodę. Głównym zadaniem eksperymentu będzie obserwacja neutrin pochodzących ze słonecznych rozpadów jąder boru 8B. Dzięki zamianie zwykłej wody na tę zawierającą deuter możliwe będzie, pomimo dużo mniejszej objętości detektora, wykrycie podobnej ilości neutrin jak w Super Kamiokande. Ciężka woda jest dosyć kosztowna substancją, jednak Kanada posiada jej dość duże rezerwy.
Kolaboracja SNO składa się z 12 instytucji z Kanady, Stanów Zjednoczonych i Wielkiej Brytanii. Głównym organizatorem eksperymentu był nie żyjący już Herbert Chen z University of California w Irvine.
W eksperymencie wykorzystywana będzie głównie reakcja: d + ?e ? p + p + e- wywoływana jedynie przez neutrina elektronowe. Zachodzi ona około 10 razy częściej niż reakcja w SK. Energię neutrina można wyznaczyć wiedząc, że jest ona równa sumie energii odrzuconego elektronu i 1.4 MeV dzięki czemu możliwe jest wyznaczenie strumienia cząstek z małymi błędami statystycznymi i dokładne określenie kierunku, z jakiego te cząstki przybywają do detektora dla elektronów o energii powyżej 5 MeV.
Oprócz powyższej reakcji może jeszcze zachodzić druga: d + ? ? p + n + ?. Jest ona praktycznie identycznym procesem (różni się jednym rozpadem beta) i zachodzi z równym prawdopodobieństwem dla wszystkich trzech rodzajów neutrin. Pozwala na zmierzenie strumienia neutrin borowych o energii powyżej progu 2.2 MeV, problemem jest jednak jej wykrycie ponieważ nie powoduje ona emisji żadnego elektronu. Dokonuje się tego poprzez reakcję wyprodukowanych neutronów z chlorkiem magnezu (powodującą emisję rejestrowalnych kwantów ??o znanej energii 8.6 MeV).
Głównym tłem branym pod uwagę w SNO jest promieniowanie z rozpadów uranu i toru, które może czasem przekroczyć próg 2.2 MeV. Aby zapobiec zwiększającym się z czasem błędom przeprowadzana będzie regularna wymiana zawartości zbiornika detektora.
Oficjalne otwarcie obserwatorium nastąpiło 28 kwietnia 1998. SNO mieści się na głębokości 2 km w czynnej kopalni niklu należącej do korporacji INCO kilkadziesiąt kilometrów od Sudbury (Kanada). Detektor to zabetonowany zbiornik o szerokości 22 i wysokości 34 m. Wewnętrzny zbiornik zawierający ciężką wodę to przezroczysta sfera o średnicy prawie 12m. Jej zawartość jest z zewnątrz monitorowana przez 10 tys. fotopowielaczy o średnicy 20 cm każdy, przymocowanych do większej sfery zewnętrznej. Pozostałą objętość detektora wypełniono wodą spełniającą zadanie osłony przed promieniowaniem radioaktywnym. Jako kolejne tego typu zabezpieczenie do budowy detektora użyto materiałów o jak najmniejszej liczbie wszelkich domieszek, a przy montażu powietrze było nieustannie filtrowane.
Jeżeli przewidywania modelu standardowego są poprawne, SNO będzie obserwowało około 9000 reakcji d + ? ? p + n + ??? i około 3000 reakcji drugiego typu w ciągu roku. W przypadku gdy ilość rejestrowanych reakcji będzie wyższa, świadczyć to będzie o oscylacji części cząstek w drodze na Ziemię. Błędy wyznaczono na ok. 10% tych wartości.
Przy okazji będą prowadzone inne eksperymenty neutrinowe. Poza obserwacja strumieni słonecznych, SNO będzie również w stanie wyznaczyć masę (!) neutrin o wielkości do 30eV m.in. na podstawie obserwacji czasu przybycia cząstek od przyszłych supernowych.

Cała historia zaczęła się prawie 70 lat temu. W celu ratowania jednej z fundamentalnych zasad fizyki przyjęto hipotetyczną, nie wykrytą jeszcze wówczas cząstkę – neutrino. Nikt jednak nie spodziewał się, że może ona w przyszłości wykazać, iż dotychczasowa wiedza nie jest zgodna z rzeczywistością.

Jak to zwykle bywa, jeden problem pociągnął za sobą drugi. Tajemnicza cząstka ma na tyle niekorzystne, z punktu widzenia fizyków, właściwości, że opierała się naukowcom przez ćwierćwiecze. Lata mijały, cała fizyka cząstek rosła w siłę, rozszerzał się model standardowy, a neutrino wciąż nie dawało odkryć swoich tajemnic. Rozważono wszelkie możliwe źródła neutrin i rozpoczęło się prawdziwe polowanie. Tutaj z pomocą przyszła ludziom technika. Elektrownie atomowe okazały się tak szeroką rzeką cząstek, że nawet pomimo znikomego oddziaływania udało się je zarejestrować. W ten sposób (wykorzystując sztuczne źródła) wykazano istnienie trzech rodzajów neutrin, co zamykało – jak wydawało się wówczas – pełny model standardowy.

Okazało się jednak, że mamy w swoim zasięgu dodatkowe źródło neutrin. W miarę jak poznawano Słońce i odkrywano kolejne reakcje w nim zachodzące neutrino zdawało się wypełniać istniejące w obserwacjach luki. Pierwszy eksperyment utworzony specjalnie dla obserwacji strumienia neutrin ze Słońca rozpoczął się w 1970r. (Homestake). Już na podstawie pierwszych wyników określono, że z tajemniczą cząstką znowu zaczynają się problemy – obserwacje zupełnie nie zgadzają się z przewidywaniami. Były dwie możliwości: istniał jakiś nieznany jeszcze proces rządzący cząstkami lub przyjęte modele nie były poprawne. Tak rozpoczęło się poszukiwanie rozwiązania słynnego Solar Neutrino Problem.
Od tamtego czasu zaczęły się pojawiać coraz to nowe eksperymenty. Zmieniała się tylko zasada działania i opracowywane reakcje, jednak wyniki były wciąż mniej więcej takie same – rejestrowano zbyt mało neutrin!

Zadziwiały już jednak nie tylko rozmiary przedsięwzięć, ale coraz to większe i zaopatrzone w coraz bardziej skomplikowane urządzenia pomiarowe detektory. Począwszy od podobnych do siebie eksperymentów SAGE i GALLEX obserwujących wystawione na neutrina słoneczne kilkudziesięciotonowe zapasy galu, poprzez japoński Kamiokande z lat osiemdziesiątych wykorzystujące kilka tysięcy ton wody, aż po najsłynniejszy i największy jak dotychczas detektor Super Kamiokande wykorzystujący zbiornik z około 50 mln litrów ultra-czystej wody. Dopiero dzięki temu ostatniemu znaleziono rozwiązanie. Wyniki przedstawiono oficjalnie w czerwcu 1998 r.

Z pomocą przyszła mechanika kwantowa i mechanizm oscylacji. Ponieważ nie możemy jak na razie rejestrować wszystkich rodzajów neutrin, wysunięto hipotezę, iż w swojej drodze na Ziemię cząstka może zmienić się w swój odpowiednik z innej generacji, nie dający się wykryć przez obecne detektory. Zespół SK udowodnił, że proces oscylacji rzeczywiści zachodzi, jednak wymusza zmianę jednego z założeń modelu standardowego. Dotychczas opierał się on na stwierdzeniu, że neutrino podobnie jak foton jest bezmasowe, jednak fizyka jednoznacznie wykazuje konieczność posiadania masy przez cząstki podlegające oscylacjom. Jeżeli więc udowodniono istnienie tego procesu, jest to jednoznaczne z koniecznością odrzucenia obecnego modelu standardowego. Rozwiązanie jednego problemu spowodowało powstanie następnego. Ale w końcu dla takich rzeczy żyją naukowcy…

Spektroskop, uproszczony spektromet, który umożliwia wyłącznie ogląd widma danego rodzaju promieniowania.
Widmo, rozkład natężenia promieniowania w zależności od jego energii, częstotliwości lub długości fali. Wyróżnia się widma: akustyczne, świetlne, radiowe, mikrofalowe, podczerwone, ultrafioletowe, rentgenowskie, promieniowania gamma, alfa i beta, promieniowania korpuskularnego, neutronów, neutrin itd.
Widmo dostarcza wielu informacji o źródle danego promieniowania (tzw. Widmo emisyjne), a często i o ośrodku, przez który ono przenikało (tzw. Widmo absorpcyjne) Badanie widm różnego rodzaju nosi ogólną nazwę spektroskpopii (lub spektrometrii).

Spektrometr optyczny, przyrząd służący do otrzymywania i analizowania widm promieniowania świetlnego (od podczerwieni do ultrafioletu). Najczęściej stosuje się spektrometry optyczne, które tworzą widma w ten sposób, że światło o różnych długościach fali kierowane jest pod różnym kątem (załamanie światła, pryzmat), albo dzięki wykorzystaniu różnicy długości dróg optycznych ugiętych i interferujących ze sobą promieni (siatka dyfrakcyjna).
Istnieją ponadto spektrometry optyczne fourierowskie oraz filtracyjne. Typowy spektrometr optyczny tworzą: kolimator, obiektyw element dyspersyjny (tj. pryzmat, siatka dyfrakcyjna itp.), obiektyw kamery rejestrującej i element rejestracji widma, którym w spektrometrze jest fotometr.
Opis: Zasada działania spektrometru optycznego. A – światło o dłuższej fali, B – światło o krótszej fali. Autor: Mietelski Jerzy Wojciech.

Widmo emisyjne, widmo wybranego typu promieniowania wysyłanego przez dany obiekt. W przypadku fal elektromagnetycznych (od mikrofal po promieniowanie rentgenowskie i gamma) emitowanych przez pojedyncze atomy (lub jądra) widmo emisyjne ma linie widmowe o ściśle określonych energiach.
Jest to rezultatem istnienia skwantowanych poziomów energetycznych – emitowane promieniowanie może mieć tylko pewne dopuszczalne energie, równe różnicy energii dwóch stanów kwantowych układu (świecenie ciał). Powstające widmo, tzw. widmo liniowe, niesie informacje o składzie chemicznym, także izotopowym (w przypadku widma emisyjnego promieniowania gamma lub alfa), źródła, co jest wykorzystywane do wykonywania analiz jego składu chemicznego (i izotopowego).
W pewnych obszarach widma emisyjnego, przy gęstej strukturze linii, obserwuje sie tzw. widma pasmowe – struktura pasm dostarcza informacji o budowie cząstek (np. widmo emisyjne podczerwone cząsteczek organicznnych). Przy zlaniu się poziomów energetycznych w szerokie pasma (jak w przypadku promieniowania cieplnego ciał stałych lub gazu w wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem), obserwuje się widma ciągłe (np. widmo emisyjne światła żarówki lub Słońca).
Widmo absorpcyjne, widmo powstające przy przenikaniu promieniowania przez materię dla niego przezroczystą. W przypadku fal elektromagnetycznych atomy ośrodka pochłaniają rezonansowo promieniowanie o energii odpowiadającej swojej strukturze energetycznej i natychmiast potem spontanicznie emitują światło, przy czym emisja owa zachodzi izotropowo.
W kierunku rozchodzenia się padającej fali elektromagnetycznej w widmie absorpcyjnym obserwuje się bardzo silne zaniki natężenia dla energii właściwych danej substancji. Umożliwia to badanie składu chemicznego absorbenta.

Spektrometr alfa, przyrząd służący do otrzymywania i analizowania widma promieniowania alfa danej substancji (alfa cząstka).
Wyróżnia się spektometry alfa: magnetyczne (o konstrukcji i zasadzie działania analogicznej do spektrometrów beta), jonizacyjne (wykorzystujące komorę jonizacyjną), spektrometry ciekłoscyntylacyjne, półprzewodnikowe i scyntylacyjne (o konstrukcji i zasadzie działania analogicznej do spektrometrów gamma, wykorzystujące półprzewodnikowe detektory krzemowe lub scyntylacyjne detektory ZnS).
Mała przenikliwość promieniowania alfa powoduje konieczność stosowania urządzeń próżniowych oraz uzyskiwania metodami radiochemicznymi cienkich źródeł promieniotwórczych.
Spektrometr beta, przyrząd służący do rejestrowania widma promieniowania beta danej substancji (beta cząstka). Typowym spektometrem beta jest spektrometr magnetyczny złożony z komory próżniowej, silnego elektromagnesu, źródła elektronów, detektora oraz elektronicznego układu sterowania i rejestrowania.
Elektrony z rozpadów cząstek beta, zachodzących w źródle, po przeniknięciu przez szczelinę poruszają się po zakrzywionym torze dzięki prostopadłemu do kierunku ruchu elektronów jednorodnemu polu magnetycznemu. Przy danej wartości indukcji tego pola, do detektora docierają elektrony o określonej energii.
Zmieniając położenie detektora lub wartość indukcji pola magnetycznego można rejestrować wielkość strumienia elektronów o różnych energiach, czyli otrzymać widmo promieniowania beta danej substancji. W spektrometrii promieniowania beta stosuje się również spektrometry ciekłoscyntylacyjne.
Spektrometr ciekłoscyntylacyjny, spektrometr LSC, rodzaj spektrometru scyntylacyjnego służącego do pomiarów promieniowania beta lub alfa (rzadziej gamma) – wykorzystuje się w nim próbkę zawierającą radioizotop zmieszaną z ciekłym scyntylatorem. Widmo promieniowania próbki rejestrowane tu jest analogicznie jak w spektrometrze gamma.
W zaawansowanych spektrometrach ciekłoscyntylacyjnych wyspecjalizowany układ elektroniczny rozróżnia sygnały pochodzące od cząstek alfa i cząstek beta, dzięki czemu możliwa jest równoczesna rejestracja widm alfa i beta danej próbki.
Spektrometr ciekłoscyntylacyjny pozwala też wykonywać pomiary z wykorzystaniem efektu Czerenkowa wywoływanego przez wysokoenergetyczne elektrony pochodzące z niektórych rozpadów beta – w technice tej nie stosuje się ciekłych scyntylatorów, lecz jedynie roztwory wodne danej próbki.
Spektrometr gamma, przyrząd służący do otrzymywania i analizowania widm promieniowania gamma. Zbudowany jest z: analizatora wielokanałowego amplitudy (analizator amplitudy), konwertera analogowo-cyfrowego, elektronicznego przedwzmacniacza i wzmacniacza, zasilacza wysokiego napięcia oraz detektora promieniowania gamma: licznika scyntylacyjnego (np. ze scyntylatorem NaI) lub detektora półprzewodnikowego (germanowego).
Kwant promieniowania gamma przenikający przez detektor wytwarza w nim sygnał proporcjonalny do energii pozostawianej w detektorze, sygnał w postaci impulsu prądu elektrycznego jest wzmacniany, a jego amplituda analizowana i rejestrowana. Powstaje w ten sposób widmo promieniowania gamma będące rejestrem ilości kwantów gamma o energiach należących do kolejnych, względnie małych przedziałów energii przenikających detektor w określonym czasie.
Istnieją ponadto magnetyczne spektrometry gamma będące rodzajem spektrometrów beta (spektrometr par) oraz spektrometry krystaliczne promieniowania gamma, działające na takiej zasadzie jak dyspersyjne spektrometry rentgenowskie.

Prąd elektryczny to uporządkowany ruch swobodnych ładunków, pod wpływem napięcia w obwodzie zamkniętym.
Napięcie elektryczne – u = w/q czyli praca/ładunek, lub u = p/i
[u] = wolt (V) = 1J/1C czyli dżul/kolumb
u – jednostka napięcia
Napięcie prądu to wielkość elektryczna mierzona stosunkiem pracy do ładunku lub mocy do natężenia
Natężenie prądu „i”
i = q/t czyli ładunek/czas
Natężenie prądu wyraża szybkość przepływu ładunku czyli stosunek ładunku do czasu.
[i] = A = 1C/1s
Amper jest to takie natężenie prądu, gdzie ładunek jednego kulomba przepływa w czasie jednej sekundy.
Prawo Ohma:
u/i = const. ( stałe )
Natężenie jest wprost proporcjonalne do napięcia.
Prawo Ohma wynika z natężenie prądu na wybranym odcinku obwodu np. oporniku lub odbiorniku wzrasta tyle razy ile razy wzrasta napięcie. Wykresem prawa Ohma jest linia, której kąt nachylenia zależy od cechy wybranego odbiornika lub części odbiornika.
Opór elektryczny ( cecha odbiornika ):
Stosunek napięcia do natężenia dla wybranego odbiornika ( części odbiornika ) jest stały i charakteryzuje tez odbiornik, z nazywa się oporem elektrycznym tego odbiornika.
r = u/i czyli napięcie/natężenie
[r] = W = 1V/1A
Om jest to opór takiego odbiornika na którym napięcie jednego wolta wytwarza prąd 1A
Opór elektryczny zależy od materiału i kształtu przewodników ( odbiornika ). Opór zależy dokładnie od oporu właściwego materiału, długości i od pola przekroju poprzecznego
R = r = l/s
r ( ro ) – opór właściwy materiału; jednostka u ukł. SJ W * m
a poza ukł. SJ ( praktyczna ) W * mm2/m
Szeregowe – I – jednakowe w całym obwodzie
U = U1 + U2 + U3 R = R1 + R2 + R3
Równoległe – U – jednakowe przy każdym z odbiorników
I = I1 + I2 + I3

Prąd elektryczny to uporządkowany ruch swobodnych ładunków, pod wpływem napięcia w obwodzie zamkniętym.
Napięcie elektryczne – u = w/q czyli praca/ładunek, lub u = p/i
[u] = wolt (V) = 1J/1C czyli dżul/kolumb
u – jednostka napięcia
Napięcie prądu to wielkość elektryczna mierzona stosunkiem pracy do ładunku lub mocy do natężenia
Natężenie prądu „i”
i = q/t czyli ładunek/czas
Natężenie prądu wyraża szybkość przepływu ładunku czyli stosunek ładunku do czasu.
[i] = A = 1C/1s
Amper jest to takie natężenie prądu, gdzie ładunek jednego kulomba przepływa w czasie jednej sekundy.
Prawo Ohma:
u/i = const. ( stałe )
Natężenie jest wprost proporcjonalne do napięcia.
Prawo Ohma wynika z natężenie prądu na wybranym odcinku obwodu np. oporniku lub odbiorniku wzrasta tyle razy ile razy wzrasta napięcie. Wykresem prawa Ohma jest linia, której kąt nachylenia zależy od cechy wybranego odbiornika lub części odbiornika.
Opór elektryczny ( cecha odbiornika ):
Stosunek napięcia do natężenia dla wybranego odbiornika ( części odbiornika ) jest stały i charakteryzuje tez odbiornik, z nazywa się oporem elektrycznym tego odbiornika.
r = u/i czyli napięcie/natężenie
[r] = W = 1V/1A
Om jest to opór takiego odbiornika na którym napięcie jednego wolta wytwarza prąd 1A
Opór elektryczny zależy od materiału i kształtu przewodników ( odbiornika ). Opór zależy dokładnie od oporu właściwego materiału, długości i od pola przekroju poprzecznego
R = r = l/s
r ( ro ) – opór właściwy materiału; jednostka u ukł. SJ W * m
a poza ukł. SJ ( praktyczna ) W * mm2/m
Szeregowe – I – jednakowe w całym obwodzie
U = U1 + U2 + U3 R = R1 + R2 + R3
Równoległe – U – jednakowe przy każdym z odbiorników
I = I1 + I2 + I3

Właściwości Ciał Stałych I Cieczy

CIAŁO STAŁE- ciało wyróżniające się uporząd-kowanym układem atomów (cząsteczek), które tworzą trwałą strukturę, zwaną siecią krystaliczną; uporządkowanie polega na periodycznym powtarzaniu się w trzech kierunkach układu współrzędnych podstawowego mo-delu przestrzennego, zw. komórką elementarną krysz-tału. Do początków XX w. za ciała stałe uważano wszystkie substancje wykazujące sprężystość postaci (tzn. zdol-ność powracania do pierwotnych wymiarów i kształtu po przerwaniu działania sił odkształcających); właści-wość tę mają także takie ciała, jak szkliwa i polimery, zaliczane dawniej do ciał stałych, chociaż w strukturze ich brak uporządkowania przestrzennego; obecnie ciała te uważane są za przechłodzone ciecze ( bezpostacio-we ciała). Badania wykazały, że własności (mech., op-tyczne, elektr., magnet. i in.) ciał stałych zależą od rodzaju ato-mów wchodzących w skład c.s., ich rozmieszczenia (a więc wewn. budowy c.s.) i wzajemnego oddziaływania. Poznanie tych zależności ma ogromne znaczenie teore-tyczne i praktyczne; zajmuje się tym jedna z najmłod-szych dziedzin fizyki — fizyka ciał stałych.
Atomy (lub cząsteczki) c.s. tworzą sieć krystaliczną, tzn. zajmują one określone położenia w przestrzeni od-powiadające stanom równowagi, w których utrzymywa-ne są siłami wzajemnego oddziaływania; siły te są iden-tyczne z siłami wiązań chemicznych, wynikającymi z budowy powłok elektronowych atomów lub cząsteczek tworzących c.s. Zależnie od rodzaju wiązań chemicznych w sie-ci krystalicznej rozróżnia się następujące rodzaje kryszta-łów: o wiązaniach jonowych, wiązaniach walencyjnych Van der Waalsa, metalicznych i wiązaniach mieszanych. Wzajemne oddziaływanie atomów oraz ich prawidłowe rozmieszczenie w sieci krystalicznej decyduje o tzw. wła-snościach kolektywnych c.s., będących rezultatem su-mowania się efektów pochodzących od poszczególnych atomów (np. ferromagnetyzm, własności ferroelektr. niektórych dielektryków, nadprzewodnictwo elektr. me-tali i stopów w niskich temp.). Z anizotropią sieci kry-stalicznej związana jest anizotropia wielu własności fiz. (np. sprężystości, załamania światła). Siły wzajemnego oddziaływania powodują osłabienie wiązania między elektronami zewnętrznych powłok a resztą atomu. W pewnych przypadkach osłabienie takie może spowo-dować uwolnienie elektronów z ich powłok i wytwo-rzyć pewną liczbę swobodnych elektronów, wspólną dla wszystkich atomów (tzw. kolektywizacja elektro-nów).
Atomy (cząsteczki) drgają nieustannie wokół swych położeń równowagi; energia ruchu drgającego wzrasta ze wzrostem temperatury i w temp. topn. staje się więk-sza od energii wiązania sieci; porządek sieci zostaje zburzony i ciało przechodzi w stan ciekły. Drgania sieci krystalicznej wpływają m.in. na przewodnictwo elektryczne, gdyż z jednej strony ułatwiają oderwanie się elektronów walencyjnych z drugiej — utrudniają ruch swobodnych elektronów.
Struktura rzeczywistego kryształu nigdy nie jest do-skonała; w sieci istnieją tzw. defekty, np.: a) puste węzły, czyli luki nie obsadzone przez atomy, b) atomy umiej-scowione w międzywęzłach c) niewielkie domieszki ato-mów obcych, d) dyslokacje. Niedoskonałości sieci wpły-wają na wiele własności c.s. Szczególnie ważne są dyslo-kacje. Polegają one na przesunięciu części sieci w sto-sunku do reszty, przy czym spójność sieci jest zacho-wana, a ciągłość jej zaburzona. Rozróżnia się 2 typy dys-lokacji: krawędziową i śrubową. Dyslokacje mogą się przemieszczać wewnątrz kryształu pod wpływem mech. naprężeń. Z zagadnieniem dyslokacji wiąże się teoria wzrostu kryształów ( krystalizacja). Jeśli w zarodku kryształu jest dyslokacja śrubowa, to zawsze istnieje „uskok” płaszczyzny sieciowej, który ułatwia szybki wzrost kryształu; na gładkiej płaszczyźnie sieciowej wzrost jest wolniejszy. Nowsze badania wykazały, że dyslokacje istnieją w każdym krysztale. Udało się sztucz-nie otrzymać niemal doskonałe monokryształy w kształ-cie włosów, tzw. kryształy nitkowe lub włókniste, grubości rzędu 10-4 cm, wykazu-jące nie spotykane normalnie własności; np. kryształy nitkowe cyny mają 1000 razy większą wytrzymałość niż zwykła cyna.
Podstawowa cecha mech., polegająca na właściwości zachowywania swojego kształtu, czyni z c.s. niezastą-piony materiał w technice. Spowodowaną działaniem sił zewnętrznych deformację c.s. przekazują za pośred-nictwem wiązań sieci jedne atomy następnym; wobec tego sieć kryształu, przeciwstawiając się działaniu sił zewn. sprawia, że c.s. wykazują sprężystość. C.s. spotykane zwykle jako materiały konstrukcyjne nie są jednorodne, lecz składają się z drobnych monokryszta-łów; im drobniejsze są monokryształy, tym większa na ogół twardość, a mniejsza plastyczność materiału. Mo-nokryształy różnią się własnościami mech. od ciał, które tworzą (mają np. niższą granicę sprężystości).
Atom w sieci krystalicznej, drgając wokół swego po-łożenia równowagi, narusza równowagę sąsiednich ato-mów. W rezultacie drgania rozciągają się na całą sieć i mogą być traktowane jako fale sprężyste. Częstotli-wość drgań nie jest jednakowa, lecz ma pewne widmo od vmax (odpowiadającego częstotliwości promienio-wania podczerwonego) do v=0. Do fal sprężystych w c.s. stosuje się teorię kwantów; kwantami fal spręży-stych są cząstki o energii E=Ar; przez analogię z foto-nami rozpatruje się je jako quasi-cząstki — fonony (na-zwa pochodzi od gr. Phonema „głos” gdyż prędkość roz-chodzenia się fal sprężystych jest w przybliżeniu taka sama jak fal akustycznych). Znając statystyczny roz-kład widma częstotliwości można obliczyć zależność ciepła molowego od temp. T, zgodną z danymi doświad-czalnymi, wg których w niskich temp. (gdy r w 0K dąży do zera) ciepło właściwe dąży do zera proporcjonalnie do T3. Zależność ta pozwoliła również określać współ-czynniki rozszerzalności cieplnej c.s. Wśród c.s. rozróż-nia się dobre i złe przewodniki ciepła. Przewodzenie cie-pła odbywa się przez dyfuzję fononów lub za pośrednic-twem elektronów (prędkości elektronów są znacznie większe niż prędkość rozchodzenia się fononów). W większości c.s. w przewodzeniu ciepła biorą udział za-równo elektrony, jak i fonony, lecz nie w jednakowym stopniu (gdy przeważa mechanizm elektronowy, np. w metalach, ciało jest dobrym przewodnikiem).
Rezultatem selektywnego pochłaniania i odbicia światła padającego na c.s. jest jego barwa i połysk. Barwa c.s. zależy od rodzaju i rozmieszczenia atomów w c.s., a także od defektów sieci krystalicznej (luki w węzłach sieci, obce atomy), które są ośrodkami absorp-cji promieniowania. Zjawisko luminescencji powodują domieszki obcych metali w sieci krystalicznej.
Własności magnetyczne c.s. zależą głównie od konfigura-cji zarówno zewn., jak i wewn. powłok elektronowych atomów c.s. ( magnetyzm atomowy). Atomy są jakby elementarnymi magnesami; jeśli w polu magnet. ich momenty magnet. są różne od zera, to dążą do ustawie-nia się zgodnie z kierunkiem pola magnet. i c.s. ma wła-sności paramagnetyczne (paramagnetyzm) a jeśli atomy mają moment magnet. równy zeru, to pole mag-net. indukuje momenty skierowane przeciwnie i c.s. jest diamagnetyczne. Wśród c.s. zbudowanych z atomów paramagnetyków wyróżnia się nieliczna grupa kryszta-łów o własnościach antyferromagnetycznych i ferromagnetycznych; własności te (w odróżnieniu od diamagnetyzmu i paramagnetyzmu) są wyłącznie cechą kryształów i związane są ze sposo-bem uporządkowania atomów w sieci, polegającym na tym, że ich momenty magnet. ustawione są zgodnie-równolegle lub na przemian przeciwrównolegle (antyferromagnetyki). Stan jedna-kowego uporządkowania nie obejmuje całego kryształu lecz jego części, tzw. domeny magnetyczne.
Przewodnictwo elektr. w c.s. polega na ruchu nośni-ków ładunków elektr., np. elektronów; wartość prze-wodnictwa zależy więc od liczby tych nośników w c.s. Pod tym względem c.s. dzielą się na 3 grupy: przewod-niki (metale), półprzewodniki i dielektryki (izolatory). Wraz ze wzrostem temp. przewodnictwo elektryczne przewodników (metali) maleje, natomiast w temperatu-rach bliskich 0°K staje się ono bardzo duże (nadprze-wodnictwo). Przewodnictwo półprzewodników i dielek-tryków rośnie ze wzrostem temp.; w temp. niskich pół-przewodniki, praktycznie biorąc, nie przewodzą prądu elektr. Próbę wyjaśnienia istoty przewodnictwa metali podjął 1900 P. Drude, wychodząc z założenia, że w me-talach liczba swobodnych elektronów jest b. duża; z prac tych wywodzi się tzw. elektronowa teoria metali. W 1930—40 powstała ogólniejsza, kwantowomech. teoria, tzw. teoria pasmowa, która wyjaśniła m.in. istotę przewodnictwa elektr. c.s.
W swobodnych atomach elektrony powłoki atomo-wej znajdują się w określonych stanach (poziomach) energetycznych opisywanych liczbami kwantowymi; stany te oddzielone są strefami energii wzbronionej. Zgodnie z Pauliego zasadą wykluczenia poszczególny stan mogą zajmować 2 elektrony o przeciwnie skiero-wanych spinach. Każdy elektron powłoki może być przeniesiony ze swego stanu podstawowego do stanu wyższej energii — stanu wzbudzonego (jeżeli stan ten jest nie obsadzony), np. w wyniku pochłonięcia kwantu energii. Ponieważ sieć składa się z identycznych, roz-mieszczonych w sposób periodyczny atomów, zakłada się, że nierozróżnalność atomów rozciąga się na elek-trony ich powłok. Wszystkie elektrony należą więc do całego kryształu, traktowanego jako jedna wielka czą-steczka. Oznacza to, że każdy dozwolony poziom ener-getyczny swobodnego atomu musi być teraz zastąpiony przez pasmo b. bliskich siebie dozwolonych poziomów energetycznych, gdyż elektrony dostarczone do wspól-noty przez poszczególne atomy nie mogą obsadzać tego samego stanu kwantowego. W krysztale zawierającym N atomów istnieje więc tyleż stanów w każdym dozwo-lonym paśmie energii. Pasmo obsadzone przez elek-trony walencyjne nosi nazwę pasma podstawowego
lub walencyjnego, najbliższe dozwolone pasmo puste — odpowiednik stanów wzbudzonych w atomach swobod-nych- nazywa się pasmem przewodnictwa. W temp. 0°K elektrony obsadzają parami najniższe stany ener-gii w paśmie; jeżeli atomy mają po jednym elektronie walencyjnym (np. atomy metali alkalicznych), to pasmo podstawowe jest tylko w połowie wypełnione. Obecność nie obsadzonych stanów w tym paśmie umożliwia ruch elektronów wewnątrz pasma, a więc decyduje o prze-wodnictwie elektrycznym Liczba elektronów przewodzących prąd elektr. (tzw. elektronów przewodnictwa) jest tego samego rzędu co liczba atomów w sieci krystalicznej (tzn.1022 na cm3.Z nierozróżnalności elektronów w paśmie dozwolonej energii wynika, że się nie zmieni stan ener-getyczny kryształu, jeśli 2 elektrony zamienią swoje miej-sca i stany; stan wzbudzenia energetycznego w dowol-nym węźle sieci krystal. może się zatem przenosić na wszystkie równoważne węzły sieci; w ten sposób inter-pretuje się rozchodzenie się wzbudzeń optycznych i elektr. w krysztale. Gdy pasmo walencyjne i pasmo przewod-nictwa zachodzą na siebie, tzn. gdy nie oddziela ich strefa energii wzbronionej, c.s. jest przewodnikiem (np. metale). Jednak ruch elektronów nie odbywa się swo-bodnie; oporność elektr. spo-wodowana jest działaniem na elektrony pola elektrycz-nego jonów sieci krystal. oraz rozpraszaniem elektro-nów na fononach (gdy tem-peratura jest wyższa, zderze-nia z fononami są częstsze).
Półprzewodniki (samoist-ne) mają w temp. 0°K pasmo walencyjne całkowicie obsa-dzone elektronami i są do-skonałymi izolatorami; sze-rokość strefy energii wzbronionej Eg wynosi ok. 0,1-2 eV. Minimalne wzbudzenie energetyczne równe Eg umożli-wia elektronom przenoszenie się do nie obsadzonego pasma przewodnictwa. W paśmie podstawowym w wy-niku przeniesienia elektronu do pasma przewodnictwa pojawiają się nie obsadzone stany energetyczne, co umoż-liwia wzbudzenie energetyczne pozostałych elektronów w paśmie podstawowym, a zatem— przewodnictwo także w tym paśmie. Wolny stan energetyczny w paśmie podstawowym, powstały przez przeniesienie elektronu do pasma przewodnictwa, jest tzw. dziurą, zachowującą się jak elementarny ładunek dodatni. Prąd elektr. w paśmie podstawowym jest więc przenoszony przez dziury i elektrony w paśmie prze-wodnictwa. Dziury i elektro-ny rekombinują między sobą; ustala się więc pewien stan równowagi, określony szyb-kością powstawania par dziura-elektron oraz ich re-kombinacji, w danej tem-peraturze T>0°K. Równowadze tej odpowiada określona koncentracja dziur i elektronów, zależna m.in. od szerokości strefy wzbronionej. Pary dziur i elektronów mogą się także tworzyć pod wpływem absorpcji kwan-tów światła. Przewodnictwo elektr. Półprzewodników niesamoistnych zależy w dużym stopniu od koncentracji defektów oraz domieszek donorowych i akceptorowych.
Dielektryki mają pasmo podstawowe w temp. 0°K w pełni obsadzone elektronami, szerokość strefy wzbro-nionej Eg jest tak znaczna, że odpowiada wzbudzeniu kwantami promieniowania nadfioletowego. W temp. pokojowej koncentracja swo-bodnych elektronów i dziur jest więc mała, czego rezulta-tem są własności izolacyjne. Absorpcja światła prowadzi często do wzbudzeń, zw. ekscytonami. Ekscyton — związana ze sobą para elek-tron i dziura, może wędro-wać w krysztale w wyniku rezonansu kwantomech. i powodować różnorodne efekty, np. luminescencję w wyniku rekombinacji na atomach domieszek.
Badania optycznych własności c.s. zapoczątkował 1669 E. Bartholin który zauważył dwójłomność szpatu isl. Opis kryształu opierano początkowo wyłącznie na symetrii ścian, a później, gdy zrozumiano, że symetria zewn. jest odbiciem uporządkowania atomów wewnątrz kryształu, podjęto badania metodami optycznymi. F.E. Neumann wyjaśnił 1833 zależność między zjawiskami optycznymi a symetrią kryształów. Stephen Gray (1670-.1736) stwierdził 1731, że istnieją ciała dobrze przewo-dzące i źle przewodzące elektryczność, a Franz Urlich Theodor Apinus (1724-1802) uzupełnił to twierdze-nie zakładając, że istnieją ciała o własnościach pośred-nich. Badania wpływu ośrodka na pole magnet. zapocząt-kował 1846 M. Faraday. Jednakże dopiero w końcu XIX w. fizycy zainteresowali się szerzej badaniem wła-ściwości c.s. Okres ten zapoczątkowały 1880 prace Pierrea i Paula Jacques’a Curie nad zjawiskiem piezoelektryczności (polegającym na powstaniu wewn. polaryza-cji elektr. w krysztale pod wpływem zewnętrznych na-prężeń mech.) oraz badania w dziedzinie magnetyzmu c.s. Osiągnięcia fizyki atomowej, a gł. odkrycie promie-ni rentgenowskich wpłynęło na burzliwy rozwój badań w dziedzinie fizyki c.s. W 1912 M. Laue a 1913 W.H. i W.L. Braggowie opracowali rentgenowskie metody ba-dania struktury atomowej ciał; pozwoliło to wyodręb-nić ciała bezpostaciowe spośród ciał występujących w stanie stałym. Dzięki rozwojowi fizyki statystycznej, a przede wszystkim powstaniu 1900 teorii kwantów, A. Einstein 1906 i P. Debye 1912 wyjaśnili własności ciepl-ne c.s. Dzięki zastosowaniu mechaniki kwantowej do teorii c.s. powstała 1930-40 teoria pasmowa (A.H. Wilson N.F. Mott, F. Bloch, L.Brillouin). Wyjaśnienie isto-ty defektów sieci krystal. i ich wpływu na własności c.s. zawdzięcza się m.in. J.J. Frenklynowi i W. Shottkyemu. Badania nad zastosowaniem półprzewodników uwień-czone zostały odkryciem tranzystora ostrzowego (J. Bardeen, W. Brattain 1949) i warstwowego (W. Shockley 1951).
Szczególne cechy elektronowe półprzewodników de-cydują o wciąż rozszerzających się badaniach ich wła-sności, o coraz liczniejszych zastosowaniach tech.; już dziś elektronika nie może się obejść bez takich urządzeń półprzewodnikowych, jak tranzystory, termistory, pro-stowniki, fotodiody, fototranzystory, diody tunelowe itp. Również własności dielektryków wykorzystuje się w nowoczesnej technice; np. tlenek glinu z niewielką domieszką chromu, czyli rubin (o rubinowej barwie mi-nerału decyduje domieszka chromu, który w sztucznie hodowanych kryształach jest odpowiednio dozowany), oziębiony ciekłym helem może być użyty jako maser krystaliczny, czyli jako wzmacniacz lub generator mi-krofalowy.
CIECZ- ciało, które ma określoną objętość, a nie ma określonej postaci; stan ciekły jest jednym ze stanów skupienia materii. Własności cieczy są zależne od temperatury; w niższych temp., bliskich krzepnię-cia, ciecz wyraźniej upodabnia się do ciał stałych (krysta-licznych), a w wyższych temperaturach — do ciał ga-zowych. Ciecz różni się od gazów głównie tym, że jej cząsteczki (drobiny) silnie oddziałują wzajemnie na siebie za pośrednictwem sił – Van der Waalsa; wskutek tego przeprowadzenie dowolnej cząsteczki z wnętrza cieczy na jej powierzchnię (zwiększenie powierzchni) wymaga wykonania pracy, czego wyrazem jest napięcie po-wierzchniowe cieczy. Podobieństwo cieczy do stałych kryształów wynika m.in. stąd, że atomy lub cząsteczki cieczy są upo-rządkowane w małych obszarach i, wg teorii (1925) radź. Fizyka J.I. Frenkla, wykonują drgania dokoła swych położeń równowagi; cząsteczki te przechodzą jednak od jednego położenia równowagi do drugiego znacznie łatwiej niż w kryształach. Własności cieczy w nor-malnych warunkach są na ogół izotropowe (nie zależą od kierunku); nieliczne ciecze których pewne własności fi-zyczne są trwale anizotropowe ,zw. są ciekłymi kryształami; reprezentują one pośred-ni stan skupienia między cieczą a ciałem stałym.
W odpowiednio niskiej temperaturze ciecz krzepnie i przechodzi w ciało stałe, krystaliczne; krystalizacja zaczyna się w otoczeniu tzw. zarodzi (za-rodków) krystalicznych, tj. w otoczeniu jakiegokolwiek kryształka lub zanieczyszczenia mech.; gdy w cieczy brak zarodzi krystalicznych (np. w starannie oczyszczonej wodzie), można jej temperaturę obniżyć poniżej tem-peratury krzepnięcia; otrzymuje się wtedy ciecz przechłodzoną. Każda ciecz posiada pewną lepkość (wewn. tarcie pojawiające się przy względnych ruchach różnych warstw cieczy) która wzrasta przy obniżeniu tem-peratury cieczy.; w szczególności u niektórych cieczy wzrost lep-kości przy obniżaniu temperatury jest tak duży, że nie mogą krystalizować, lecz przechodzą w bezpostaciowe ciało stałe (np. szkło, lak).
Przy podwyższaniu temperatury zmniejsza się lep-kość oraz zwiększa się intensywność parowania cieczy.; jeśli w c. tej znajdują się ślady dowolnego gazu, to w pew-nej temperaturze zaczyna ona wrzeć ( wrzenie); po usunięciu z cieczy gazu (np. przez staranne jej go-towanie) można ją podgrzać powyżej temperatury wrzenia nie wywołując wrzenia; otrzymuje się ciecz przegrzaną.
Badaniem właściwości c. zajmują się hydrome-chanika, rozpatrująca ciecz jako ośrodek ciągły, na który działają siły zewn oraz kinetyczna teoria cieczy ( kinetyczna teoria materii), obejmująca procesy mole-kularne (międzycząsteczkowe) zachodzące w samej cieczy; z punktu widzenia mechaniki płynów (aero i hydro-mechaniki) c. jest — obok gazu — płynem.