Działalność Naukowo-Badawcza

Działalność naukowo-badawcza wydziału obejmuje badania podstawowe i aplikacyjne z fizyki jądrowej, fizyki środowiska i fizyki ciała stałego. Główna tematyka kształtowana jest przez jednostki naukowe wydziału i zawiera następujące elementy:

• elektronikę ciała stałego
• instrumentację eksperymentów fizyki cząstek elementarnych
• wykorzystanie naturalnej zmienności składu izotopowego pierwiastków lekkich w badaniach środowiskowych
• badanie zmienności składu atmosfery
• badanie właściwości strukturalnych, magnetycznych i elektronowych:
• warstw i układów wielowarstwowych o grubościach nano- i subnanometrowych,
• związków międzymetalicznych ziemia rzadka-metal przejściowy 3d i ich roztworów międzywęzłowych,
• nadprzewodników wysokotemperaturowych,
• tlenków magnetycznych,
• tlenków wykazujących kolosalny i gigantyczny magnetoopór
• oraz materiałów nieuporządkowanych
• badania podstawowe elementarnych składników materii i ich oddziaływań metodą zderzeń wysokoenergetycznych wiązek
• badania nad detekcją promieniowania jonizującego, oraz projektowanie i konstrukcję detektorów
• oznaczanie struktur krystalicznych i magnetycznych związków powstałych w wyniku przejść fazowych
• badanie układów o obniżonym w stosunku do klasycznych kryształów stopniu uporządkowania
• modelowanie procesów deformacji plastycznej i rekrystalizacji materiałów
• poszukiwanie nowych molekularnych związków chemicznych o atrakcyjnych pod względem intensywności świecenia i długości fali emitowanego światła w strukturach warstwowych typu LED
• dozymetrię promieniowania jonizującego i niejonizującego
• badania teoretyczne mechanizmów fizycznych w procesach biologicznych
• badania teoretyczne półprzewodników litych i nanostruktur półprzewodnikowych
• teorią transportu elektronowego i lokalizacji elektronów w układach niskowymiarowych i w układach nieuporządkowanych
• modelowanie nanourządzeń półprzewodnikowych
• metody i aparaturę do pomiarów neutronowych próbek geologicznych
• oznaczanie śladowych zawartości pierwiastków metodą neutronowej analizy aktywacyjnej
• fizyczne, środowiskowe i społeczno-ekonomiczne problemy energetyki jądrowej
• nieinwazyjne metody diagnostyki medycznej
• kompleksową analizę procesów przepływowych z wykorzystaniem izotopów promieniotwórczych w postaci znaczników i modelowanie takich procesów
• symulacje komputerowe obliczeń kwantowych na kropkach kwantowych
• interdyscyplinarne zastosowania symulacji komputerowych w fizyce ciała stałego, biofizyce i naukach społecznych
• i inne

Praktycznie wszystkie wymienione tematy prowadzone są we współpracy z zagranicznymi ośrodkami naukowymi lub w ramach międzynarodowych programów badawczych, w tym:

• CERN, Genewa, Szwajcaria
• DESY, Hamburg, Niemcy
• CNRS, Grenoble, Francja
• ESRF, Grenoble, Francja
• CEA w Grenoble, Francja
• Zjednoczony Instytut Badań Jądrowych (ZIBJ) w Dubnej, Rosja
• Międzynarodowa Agencja Energii Atomowej (MAEA) we Wiedniu, Austria
• Instytut Paula Scherrera, Szwajcaria
• INFN w Turynie, Włochy
• Instytut Fizyki Cząstek Uniwersytetu Kalifonijskiego, USA
• Uniwersytet Karola w Pradze, Czechy
• Uniwersytet w Linzu, Austria
• Uniwersytet w Antwerpii, Belgia
• Uniwersytet w Kolonii, Niemcy
• Uniwersytet XIII w Paryżu, Francja
• Uniwersytet Techniczny we Wiedniu, Austria
• Uniwersytet Medyczny w Grazu, Austria
• Uniwersytet del Pais Vasco w San Sebastian, Hiszpania
• Politechnika Królewska w Sztokholmie, Szwecja
• Instytut Fizyki Jądrowej w Sankt Petersburgu, Rosja
• Instytut Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie
• Instytut Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie
• i inne

Poniżej przedstawione są bardziej szczegółowo wybrane problemy z działalności naukowo-badawczej Wydziału. Problemy zostały wybrane tak, aby naświetlić różne dziedziny prowadzonej działalności naukowej, z wyeksponowaniem zarówno eksperymentalnych prac badawczych, czasami wkraczajacych nawet w obszar wdrożeń technologicznych, jak i działalności teoretyczno-obliczeniowej.

Fizyka jądrowa

Fizyka cząstek elementarnych i ich oddziaływań stoi przed poważnym dylematem – opracowaniem nowej teorii wykraczającej poza obowiązujący obecnie Model Standardowy. Teoria związana ze wspomnianym modelem uważana jest za pewien rodzaj teorii przybliżonej, trudnej zresztą do zakwestionowania ze względu na bardzo dobrą zgodność ze wszelkimi możliwymi danymi doświadczalnymi. Niemniej jednak struktura Modelu Standardowego, konieczność powołania się w niej na parametry uzyskane na drodze doświadczalnej oraz fakt, że obiekty elementarne mają tak zróżnicowane masy, wskazuje na konieczność wprowadzenia teorii nadrzędnej zwanej popularnie Nową Fizyką. Obecnie istnieją modele teoretyczne pretendujące do miana Nowej Fizyki, ale dopiero doświadczalna ich weryfikacja pozwoli na wybór któregoś z nich. Przez weryfikację rozumiemy odkrycie i zbadanie własności obiektów przewidzianych przez Nową Fizykę, dotychczas nie odkrytych ze względu na ich dużą masę, a co za tym idzie, wielkie energie potrzebne do ich kreacji, uzyskane dzięki potężnym urządzeniom przyśpieszającym - akceleratorom. Zrozumienie zjawisk mikroświata ma niewątpliwy wpływ na wyjaśnienie wielu zjawisk właściwych skali makroświata. Chodzi tu o mechanizm powstania i rozwoju wszechświata oraz o wyjaśnienie takich podstawowych problemów jak pochodzenie tzw. ciemnej materii we wszechświecie, czy też problem przewagi materii nad antymaterią.

Tą właśnie tematyką zajmują się fizycy Zakładu Cząstek Elementarnych i Detektorów, którzy od wielu już lat uczestniczą we wszystkich większych eksperymentach zarówno w międzynarodowym ośrodku CERN w Genewie, jak i niemieckim ośrodku fizyki wysokich energii DESY w Hamburgu. W chwili obecnej trwają zaawansowane przygotowania do eksperymentów na akceleratorze LHC (Large Hadron Collider). Nowe dane, pochodzące ze zderzeń protonów z protonami, których zbieranie rozpocznie się w 2007 roku rozwiążą problem istnienia tzw. cząstki Higgsa, jedynego brakującego obiektu w Modelu Standardowym, którego istnienie jest pomostem do zrozumienia niezerowych i tak zróżnicowanych mas cząstek elementarnych. Ta wielka przygoda w mikroświecie doprowadzi być może do odkrycia nieznanych dotąd cząstek, a co za tym idzie, do rewizji starej i sformułowania Nowej Fizyki. W przygodzie tej jest miejsce dla każdego młodego fizyka łączącego studia i zdobywanie stopni naukowych z poznaniem wybitnych ośrodków badawczych i zrozumieniem niełatwych praw rządzących tą dziedziną fizyki.

W ramach wieloletniej współpracy Zakładu Metod Jądrowych WFiIS AGH z Instytutem Neurologii Collegium Medium UJ prowadzone są badania nad rolą pierwiastków śladowych i związków organicznych w schorzeniach neurodegeneracyjnych, głównie chorobie Parkinsona oraz stwardnieniu bocznym zanikowym. Neurodegeneracja, czyli postępujący proces zwyrodnienia komórek nerwowych jest procesem nieodwracalnym, ponieważ neurony, z nielicznymi wyjątkami, nie rozmnażają się. Wymienione schorzenia cechują się zanikiem neuronów w wybranych obszarach ośrodkowego układu nerwowego (OUN), co prowadzi do dalszych następstw m. in. w postaci upośledzenia funkcjonowania mięśni organizmu. Obydwie choroby należą do grupy schorzeń o nieznanej dotychczas etiologii. Realizowane prace mają, więc na celu wspomaganie badań nad patogenezą schorzeń neurodegeneracyjnych. Badania obejmują oznaczenia zawartości pierwiastków i głównych molekuł biologicznych, jak również stopni utlenienia wybranych pierwiastków w tkankach kontrolnych i patologicznych, pobranych z określonych obszarów anatomicznych OUN człowieka. Prace prowadzone są w oparciu o techniki spektroskopowe, głównie rentgenowską analizę fluorescencyjną (XRF – X-ray Fluorescence). Technika ta polega na wzbudzaniu charakterystycznego promieniowania X w naświetlanej próbce. Energia emitowanego promieniowania stanowi swoistą "wizytówkę" każdego pierwiastka, pozwalającą na jego identyfikację. Fakt ten stanowi podstawę jakościowej analizy fluorescencyjnej. Natężenie emitowanego promieniowania zależy głównie od zawartości wzbudzonego pierwiastka w próbce. Zaletą techniki jest nieniszczący charakter analizy oraz możliwość równoczesnego oznaczania wielu pierwiastków. Spektroskopia absorpcji promieniowania X w pobliżu progu absorpcji (XANES – Near Edge X-ray Absorption Fine Structure), obejmująca badanie widma absorpcyjnego wybranego pierwiastka, stosowana jest natomiast do wyznaczenia jego stopni utlenienia. Komplementarne badania obejmują analizę głównych molekuł biologicznych przy zastosowaniu synchrotronowej mikrospektroskopii w podczerwieni z transformatą Fourier'a (FTIR – Fourier Transform Infrared). Wspomniane trzy techniki badawcze realizowane są z zastosowaniem promieniowania synchrotronowego. Dotychczasowe pomiary wykonywano w trzech europejskich ośrodkach synchrotronowych tj. European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) w Grenoble, Hamburger Synchrotronstrahlungslabor (HASYLAB) w Hamburgu oraz Laboratoire pour l'Utilisation du Rayonnement Electromagnétique (LURE) w Orsay pod Paryżem. Wysokie natężenie wiązki promieniowania synchrotronowego (o kilka rzędów wielkości przewyższające natężenia promieniowania X uzyskiwane z lamp rentgenowskich), duża stabilność wiązki jak również rozdzielczość przestrzenna, rzędu ułamka mikrometra umożliwiają prowadzenie analiz na poziomie komórkowym. Mapy rozkładu wybranych pierwiastków w neuronach istoty czarnej mózgu dla przypadku kontrolnego i choroby Parkinsona zamieszczono na rysunku 1. Przeprowadzone dotychczas analizy ilościowe wskazują również na obecność zaburzeń pierwiastkowych (głównie wzrost zawartości Fe, Zn oraz Ca) w schorzeniach neurodegeneracyjnych. Uzupełnieniem do prowadzonych analiz pierwiastkowych są badania głównych molekuł biologicznych (białek, tłuszczy, kwasów nukleinowych itd.) w tkance OUN, ze szczególnym uwzględnieniem komórek nerwowych. Analiza spektralna widm absorpcyjnych promieniowania podczerwonego pozwoliła na identyfikację molekuł w obszarach tkanki OUN, zarówno w grupie kontrolnej jak i dla badanych przypadków schorzeń neurodegeneracyjnych. Dwuwymiarowe mapy rozkładu wybranych grup funkcyjnych makromolekuł biologicznych, wykonane na podstawie zebranych widm absorpcyjnych promieniowania IR w trakcie skanowanie próbki, przedstawiono na rysunku 2. W przypadku choroby Parkinsona stwierdzono brak silnego gromadzenia się biomolekuł w obrębie ciała komórki nerwowej jak to obserwowano dla przypadków kontrolnych (porównaj rys. 2). W badanych przypadkach stwardnienia zanikowego bocznego, odnotowano różnice głównie w obrębie grup funkcyjnych białek. Nie stwierdzono, natomiast zmian w pasmach pochodzących od kwasów nukleinowych.

Ponadto, badania dla potrzeb neurobiologii prowadzone są z wykorzystaniem rentgenowskiego spektrometru fluorescencyjnego z dyspersją energii, skonstruowanego i pracującego w Zakładzie Metod Jądrowych WFiIS. Fotografia aparatury badawczej została zamieszczona na rys. 3. Układ posiada trzy linie pomiarowe dające możliwość analizy pierwiastkowej próbek w stanie stałym na poziomie makro- i mikroskopowym (odpowiednio metodami: XRF oraz micro-XRF – Microbeam X-Ray Fluorescence), jak również analizy płynów (metoda TXRF – Total Reflection X-ray Fluorescence) na poziomie ułamka ppm (mg/kg). Źródłem fotonów w spektrometrze jest dyfrakcyjna lampa rentgenowska wyposażona w anodę molibdenową. Zastosowanie optyki kapilarnej do kolimowania wiązki fotonów (metoda micro-XRF) umożliwia uzyskanie w warunkach laboratoryjnych wiązki promieniowania rentgenowskiego o dużym natężeniu i przekroju rzędu kilkudziesięciu mikrometrów, co jest szczególnie istotne w badaniach tkanek. Analizy pierwiastkowe tkanki ośrodkowego układu nerwowego człowieka prowadzono w oparciu o metody XRF oraz micro-XRF, co pozwoliło na wyznaczenie zawartości pierwiastków oraz ich rozkładu w wybranych obszarach anatomicznych mózgu. Uzupełnieniem do prowadzonych badań tkanki są analizy pierwiastkowe płynów ustrojowych, m. in. płynu mózgowo-rdzeniowego, surowicy oraz krwi wykonywane przy zastosowaniu metody TXRF.

Wykonane dotychczas badania wskazują na użyteczność metod rentgenowskiej analizy fluorescencyjnej oraz mikrospektroskopii w podczerwieni w badaniach nad rolą pierwiastków śladowych i związków organicznych w schorzeniach neurodegeneracyjnych. Mogą one w istotny sposób wspomóc badania prowadzone przez jednostki naukowe w kraju i zagranicą nad patogenezą choroby Parkinsona i stwardnienia bocznego zanikowego.

Wymienione techniki stosowane są w Zakładzie Metod Jądrowych ponadto, do analizy ziaren minerałów, obiektów archeologicznych, oraz skażeń ziaren gleby pierwiastkami toksycznymi. Badany jest również wpływ zanieczyszczenia środowiska na depozycję pierwiastków toksycznych w tkankach roślinnych i zwierzęcych w pobliżu hałd po przemysłowych.

Fizyka ciała stałego

Katedra Fizyki Ciała Stałego dysponuje największym na Wydziale zapleczem aparaturowym do badań własności materiałów najbardziej nowoczesnymi metodami fizyki doświadczalnej. Posiada również urządzenia do wytwarzania i obróbki technologicznej próbek, w tym aparaturę do wytwarzania ultracienkich warstw i układów wielowarstwowych. Baza aparaturowa jest ciągle unowocześniana i w bieżącym roku wzbogaci się o wielozadaniowy system do pomiarów własności fizycznych PPMS (Physical Properties Measurements System) za ponad dwa miliony złotych, zakupiony w ramach działalności w Akademickim Centrum Naukowo-Technologicznym AKCENT Małopolska, ze środków strukturalnych Unii.

Problematyka naukowa katedry koncentruje się na badaniu właściwości strukturalnych, magnetycznych i elektronowych warstw i układów wielowarstwowych o grubościach nano- i sub-nanometrowych, związków międzymetalicznych ziemia rzadka – metal przejściowy 3d i ich roztworów międzywęzłowych z wodorem, azotem i węglem, nadprzewodników nisko- i wysokotemperaturowych oraz tlenków magnetycznych, tlenków magnetooporowych i nanocząstkowych materiałów magnetycznych oraz materiałów metalicznych nieuporządkowanych.

Prowadzone w katedrze badania są na wysokim światowym poziomie, o czym świadczy uzyskanie czterech grantów badawczych z Unii Europejskiej w których współpracujemy z wiodącymi naukowymi ośrodkami europejskimi, m.in. takimi jak Uniwersytety w Oxfordzie, Liverpoolu, Wiedniu, Saragossie, Groningen oraz z europejskimi instytutami naukowymi . W ramach trzech z nich, tak zwanych Research Training Networks (o skrótowych nazwach: SCOOTMO, ULTRASMOOTH i HYTRAIN) zatrudniani są naukowcy z zagranicy i prowadzone są wspólne prograny doktoranckie. Ostatnio przyjęliśmy na dwuletnie kontrakty dra Colina Oatesa ze Szkocji i dra Dominique Aernout z Belgii oraz doktorantów: Vita Prochazkę, Nivasa Babu i Adinę Morozan. Uzyskaliśmy również grant UE (MUNDIS) na aplikację nanocząstkowych materiałów w magnetooporowych czujnikach położenia do zastosowań w przemyśle samochodowym.

W katedrze znajdują się dwie pracownie studenckie: Pracownia Fizyki Ciała Stałego i Pracownia Komputeryzacji Pomiarów, w których odbywają zajęcia specjalistyczne nie tylko studenci fizyki, ale również studenci innych wydziałów Uczelni. Studenci specjalności fizyka ciała stałego, wykonując prace inżynierskie, magisterskie i doktorskie biorą czynny udział w badaniach prowadzonych w pracowniach naukowych katedry, a także wyjeżdżają na pomiary i dłuższe staże do współpracujących ośrodków zagranicznych oraz na eksperymenty prowadzone przez nas na "wielkich urządzeniach badawczych" w laboratoriach synchrotronowych, czy neutronowych, takich jak ESRF i ILL w Grenoble, HASYLAB w Hamburgu, czy ELETTRA w Trieście. Studenci i doktoranci kształceni w Katedrze Fizyki Ciała Stałego mają więc kontakt z badaniami naukowymi na najlepszym poziomie, w międzynarodowym otoczeniu. Biorąc pod uwagę docenienie roli i znaczne zwiększenie finansowania badań podstawowych i interdyscyplinarnych w rozpoczynającym się 7 Programie Ramowym UE i polskim Krajowym Programie Ramowym, oraz wzrost zainteresowania nowoczesnymi technologiami i materiałami ze strony przemysłu, stwarza to duże szanse naszym absolwentom na zdobycie solidnego wykształcenia i znalezienie atrakcyjnej pracy na rynku zarówno krajowym, jak i zagranicznym.

Badania wodorków

W Katedrze Fizyki Ciała Stałego prowadzone są od wielu lat badania wodorków metali. Jest to tematyka bardzo ciekawa zarówno z punktu widzenia badań podstawowych jak i zastosowań do magazynowania wodoru.. Pod wpływem wodoru obserwuje się przemiany strukturalne, magnetyczne jak i przewodnictwa elektrycznego (wodór może spowodować istotne zmiany magnetycznych właściwości materiału oraz przejście od stanu metalicznego do izolatora).

Szczególnie ważne i bardzo interesujące w ramach bardzo aktualnej obecnie energetyki wodorowej są badania pod kątem magazynowania wodoru w metalach. Niektóre bowiem materiały metaliczne mogą zaabsorbować przy ciśnieniu 1 atm tyle samo wodoru co butla o tej samej objętości przy ciśnieniu 100 atm. Znalezienie i opracowanie takiego materiału pozwoliłoby na bezpieczne przechowywanie wodoru np. w samochodach napędzanych wodorem. W zakresie tej tematyki w roku 2004 na Wydziale została zorganizowana wielka międzynarodowa konferencja właśnie na temat wodoru w metalach. Zespół realizujący te badania uczestniczy w programach Unii Europejskiej dotyczących magazynowania wodoru.

Badania powierzchni

Powierzchnia, o której Wolfgang Pauli mówił, że została wynaleziona przez diabła, jest zdecydowanie najbardziej osobliwym i newralgicznym miejscem materii skondensowanej. Potężną energię zmagazynowaną w mono-molekularnej warstewce cieczy znali i umieli wykorzystać już starożytni żeglarze, którzy uspokajali wzburzone morze wylewając na jego powierzchnię beczułkę oliwy. Pojedyncza warstwa atomów czy cząsteczek tworzących powierzchnię decyduje o niezwykle szerokiej gamie właściwości i zjawisk badanych w pracowni fizyki powierzchni, cienkich warstw i nanostruktur naszego Wydziału.

Atomy powierzchniowe są unikalne, bo brakuje im sąsiadów i stąd biorą się ich osobliwe właściwości wykorzystywane praktycznie we wszystkich działach techniki: elektronice, chemii, katalizie, przemyśle motoryzacyjnym, technologiach nowych materiałów, technikach sensorowych itd. "Normalna" materia skondensowana zawiera stosunkowo niewiele atomów powierzchniowych – w jej ziarenku o krawędzi 1 mm tylko jeden atom na milion znajduje się na powierzchni. Najprostszym sposobem wzbogacania materiału w powierzchnię jest jego rozdrabnianie: "rozwalcowanie" skomplikowanymi technologiami do grubości niewielu warstw atomowych czy "mielenie" do ziarenek nanometrowych – milion razy mniejszych od główki szpilki. Na przysłowiowej główce od szpilki takich nanometrowych ziarenek zmieścić się mogłoby tyle, co futbolówek w niecce piłkarskiego stutysięcznika, wypełnionego piłkami po brzegi. Nanotechnologia – to słowo wytrych dzisiejszej nauki, otwierające nowe horyzonty, ale też kasy z pieniędzmi na badania i wdrożenia. Kontrolowane wytwarzanie i badanie obiektów nanometrowych wymaga specjalnych technik badawczych odpowiadających skali zjawisk, którą wyznacza rozmiar atomu. Techniki te pozwalają nie tylko obserwować pojedyncze atomy, ale także nimi manipulować i "wyśledzić" nietypowe, odbiegające od makroskopowej normalności zachowania. Na zdjęciach poniżej widać aparaturę badawczą wykorzystywaną do wytwarzania i badań własności fizycznych różnego rodzaju nanostruktur. Znajduje się ona w Laboratorium Fizyki Powierzchni i Cienkich Warstw w Zakładzie Fizyki Ciała Stałego WFiIS.

Laboratorium monokryształów

Monokryształy ze względu na idealną strukturę krystaliczną stanowią główny filar współczesnych technologii. Dzięki swym właściwościom znalazły zastosowanie między innymi w elektronice, telekomunikacji, technikach kosmicznych, mechanice, medycynie, badaniach naukowych, jubilerstwie jako mikroprocesory, elementy czynne laserów, monochromatory, filtry podczerwieni, sensory magnetyczne, przetworniki częstości elektromagnetycznych, wzbudniki, kamienie ozdobne itp. Produkcja monokryształów w świecie oparta jest na zaawansowanej wiedzy naukowej. Parametry wzrostu monokryształu szacuje się, rozwiązując numerycznie skomplikowane równania matematyczne. Zarówno ze względów badawczych jak i dydaktycznych w Zakładzie Metod Jądrowych na Wydziale Fizyki i Informatyki Stosowanej AGH skonstruowano nowoczesną aparaturę do otrzymywania monokryształów metodą wprowadzoną przez wybitnego polskiego uczonego Jana Czochralskiego. Monokryształ w tej metodzie jest wyciągany powoli przez wrzeciono z roztopionego materiału znajdującego się w tyglu.

Badania materiałów nadprzewodzących i magnetycznych

Zespół Materiałów Nadprzewodzących i Magnetycznych zajmuje się tlenkami nadprzewodzącymi i magnetycznymi, w szczególności tzw. wysokotemperaturowymi nadprzewodnikami, tlenkami manganowo-wapniowymi wykazującymi kolosalny magnetoopór oraz tlenkami żelaza, w tym magnetytem. Magnetyt jest pierwszym znanym przez ludzkość magnetykiem o wciąż nie do końca zrozumiałych właściwościach fizycznych. Wszystkie te materiały mają spore zastosowania praktyczne. Nadprzewodniki wysokotemperaturowe przewodzą duży prąd powyżej temperatury ciekłego azotu 77 K bez strat związanych z grzaniem się przewodów oraz służą do wytwarzania złącz zero- jedynkowych w prototypowych komputerach nadprzewodzących. Kolosalny magnetoopór powstaje przy zastosowaniu pola magnetycznego co w przyszłości może mieć zastosowania w różnorakich czujnikach. Magnetyt służy m.in. do magnetycznego zapisu muzyki i innych danych. W zespole rutynowo wykonuje się te materiały oraz proste pomiary oporu, namagnesowania, ciepła właściwego a także skomplikowane pomiary spektroskopowe np. magnetycznego rezonansu elektronowego czy fotoemisji elektronowej. Opublikowano ponad 250 prac z tej tematyki. Zjawisko fotoemisji elektronowej opisał ilościowo A. Einstein, 100 lat temu w oparciu o pojęcie kwantu energii promieniowania. Wtedy powstawała mechanika kwantowa. Za to osiągnięcie oraz za prace z teorii względności, otrzymał nagrodę Nobla w 1921 roku. Dlatego też, poprzedni rok w świecie nauki był rokiem fizyki. Zjawisko fotoemisji zostało wykorzystane m.in. fotokomórkach, które są stosowane w życiu codziennym. Taką dużą, w pełni zautomatyzowaną i skomputeryzowaną fotokomórką, jest spektrometr fotoemisji, który służy do zaawansowanych badań struktury elektronowej i pasmowej ciał stałych.

Dyfrakcyjne badanie naprężeń własnych w materiałach

Naprężenia własne powstają najczęściej podczas odkształcenia materiału lub zmiany jego temperatury. Zmieniają one wytrzymałość mechaniczną materiału oraz modyfikują jego własności fizyczne (np. elektryczne, magnetyczne, optyczne, sprężyste). Wśród różnych metod badania naprężeń własnych, na czoło wysuwają się metody dyfrakcyjne, które są nieniszczące i precyzyjne. Umożliwiają one wyznaczanie naprężeń zarówno na powierzchni (promieniowanie rentgenowskie) jak i wewnątrz materiału (dyfrakcja neutronów i promieniowania synchrotronowego). Obecność naprężeń własnych powoduje zmianę odległości między atomami i w efekcie - przesunięcie oraz poszerzenie pików dyfrakcyjnych, które powstają wskutek ugięcia promieniowania na sieci krystalicznej materiału.

Poznanie charakteru naprężeń własnych umożliwia w wielu przypadkach ich modyfikację, tak by było to korzystne dla konkretnego zastosowania praktycznego. Wyniki naszych badań wykorzystywane były w przemyśle, jak np. prace dotyczące stali ferrytyczno-austenitycznej o dobrych własnościach mechanicznych i antykorozyjnych oraz kompozytu Al/SiC stosowanego w przemyśle lotniczym i kosmicznym. Badamy również naprężenia występujące w cienkich warstwach używanych do powlekania protez kości i stawów.

Badaniami naprężeń własnych zajmujemy się w Zakładzie Fizyki Fazy Skondensowanej na Wydziale Fizyki i Informatyki Stosowanej AGH od roku 1990. Prace doświadczalne w zakresie dyfrakcji rentgenowskiej prowadzimy na dyfraktometrze firmy Brüker D8 Advance (na AGH), zaś pomiary neutronograficzne wykonujemy we współpracy z laboratoriami we Francji (C.E.A Saclay) i w Wielkiej Brytanii (ISIS, Rutherford Appleton Laboratory). W badaniach tych uczestniczą doktoranci oraz – w ramach laboratorium specjalistycznego – studenci.

Fizyka medyczna

Choroby serca są obecnie jedną z trzech najistotniejszych przyczyn śmierci w naszym społeczeństwie. Choroba niedokrwienna serca (ISD – Ischaemic Heart Disease) jest spowodowana zmianami morfologicznymi w obrębie naczyń wieńcowych. Wykrycie tych zmian możliwe jest poprzez badania elektrokardiograficzne, ultrasonograficzne, biochemiczne markery niedokrwienia serca i zawału, rezonans magnetyczny, rentgenowską tomografię komputerową oraz coraz częściej medycynę nuklearną. Choroba ta jest jedną z głównych przyczyn zgonów w krajach rozwiniętych (ponad 40%).

Środowiska medyczne poszukują możliwości wczesnego zdiagnozowania niedokrwienia mięśnia sercowego. Pozwoliłoby to na szybszą interwencję medyczną, a co za tym idzie – większe prawdopodobieństwo pełnego wyleczenia. Zawał mięśnia sercowego zdiagnozowany w pierwszych godzinach daje choremu możliwość powrotu do praktycznie 100% aktywności życiowej i zawodowej!

Konwencjonalny tomograf emisyjny przeznaczony do badań techniką SPECT wyposażony jest w jedną lub dwie gamma kamery, stół, na którym kładziemy pacjenta oraz oprogramowanie pozwalające na akwizycję i późniejszą obróbkę danych.

Badanie wykonuje się po wcześniejszym wprowadzeniu znacznika do organizmu pacjenta. Znacznikiem wykorzystywanym w badaniach perfuzji mięśnia sercowego jest m.in. Tc-99m-MIBI. Kompleks ten pozwala na ocenę stopnia ukrwienia mięśnia sercowego i uwidacznia bardzo wczesne ogniska zawałowe, ponieważ jest "wychwytywany" jedynie w prawidłowo funkcjonującej mięśniówce serca. Obszary, nawet po kilku minutowym niedotlenieniu, manifestują się brakiem wychwytu znacznika promieniotwórczego.

Do oceny, jak duże ogniska zawałowe mogą być obrazowane oraz jaki jest wpływ artefaktów pochodzących od jelit i wątroby, użyty został (wykonany w Pracowni Konstrukcyjno-Mechanicznej Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej) statyczny fantom serca. Fantom ten został zaprojektowany i wykonany w oparciu o wytyczne zawarte w 48 raporcie ICRU. Pomiary wykonane zostały w 5-tym Wojskowym Szpitalu Klinicznym z Polikliniką w Krakowie w Zakładzie Medycyny Nuklearnej.

Prosta konstrukcja i niski koszt wykonania pozwala na wykorzystanie fantomu w szpitalach wykonujących badania mięśnia sercowego przy użyciu radiofarmaceutyków.

Otrzymywane wyniki pomiarów prezentowane były na dwóch konferencjach tym na jednej zagranicznej (EMBEC'05 listopad 2005 w Pradze). Poniżej zamieszczamy przykładową trójwymiarową rekonstrukcję dla ogniska zawałowego (kolor zielony) o wymiarach 15,9x22,5mm2. Wykorzystywana aktywność radiofarmaceutyku wynosiła 45-50MBq. Badania prowadzone były na przełomie 2004 i 2005 r. Wszystko odbywało się we współpracy z 5. Wojskowym Szpitalem Klinicznym z Poliklinika w Krakowie w Zakładzie Medycyny Nuklearnej. Udało nam się wygłosić 2 referaty na konferencjach 1. na krajowej konferencji "Technika jądrowa w przemyśle, medycynie, rolnictwie i ochronie środowiska" (organizowana na naszym wydziale w ubiegłym roku); 2. na międzynarodowej konferencji EMBEC'05 w Czeskiej Pradze (w listopadzie ubiegłego roku) Obecnie będziemy starali się ulepszyć nasz fantom, przekształcając go w fantom dynamiczny.

Zakład Fizyki Medycznej Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej AGH w Krakowie, prowadzi również szeroką współpracę w zakresie kontroli jakości (Quality Assurance – QA) aparatury rentgenodiagnostycznej. Stosowanie promieniowania jonizującego do celów medycznych jest powszechnie przyjęte jako oczywiste i naturalne. Z danych statystycznych wynika, że odsetek badań radiologicznych spośród wszystkich badań obrazowych wynosi ok. 60-70%. Badania narażenia radiologicznego pacjentów w trakcie konwencjonalnej diagnostyki z zastosowaniem promieniowania X przeprowadza się w szpitalach na terenie Małopolski przy współpracy pracowników Wojewódzkiej Stacji Sanitarno-Epidemiologicznej, Oddział Higieny Radiacyjnej. Testy QA objęły dotychczas 20 aparatów rentgenowskich, zostały wykonane przy użyciu fantomu referencyjnego REX do praktycznej kontroli jakości (QC – Quality Control) rentgenowskiej ekspozycji medycznej oraz obrazowania w radiografii i fluoroskopii oraz detektora półprzewodnikowego CONNY II, produkcji PTW Freiburg, Niemcy. W pomiarach wykorzystywane są również fantomy X-Check RAD oraz STAR, dozymetr Diados E, miernik napięcia urządzeń rentgenowskich Diavolt Universal. Kontrolę filmów przeprowadza się przy użyciu sensodensytometru SensoDensi X, PTW Freiburg, Niemcy. Pomiary przeprowadzono zgodnie ze standardowymi protokołami badań klatki piersiowej dla projekcji AP i LAT oraz układu moczowego AP.

Wykonywane testy obejmują pomiar dawki wejściowej z uwzględnieniem promieniowania rozproszonego, pomiar czasu ekspozycji oraz kontrolę napięcia. Ponadto wyznacza się rozdzielczość przestrzenna, kolimację i liniowość wiązki, jakość obrazu i rozmiary ognisk. Dodatkowo wyznacza się powtarzalność dawki, czasu ekspozycji i wysokiego napięcia oraz zgodność dawki na jednostkę ładunku. Na podstawie dokonywanych pomiarów wyznacza się wydajność lampy rentgenowskiej testowanego aparatu.

Obecnie rozpoczęto współpracę z Centrum Onkologii im.M. Skłodowskiej – Curie, Oddział w Krakowie oraz Laboratorium Dozymetrii Indywidualnej i Środowiskowej IFJ PAN w zakresie pomiarów dawek pochłanianych pacjentów trakcie diagnostyki CT przez pacjentów podlegających radioterapii w wykorzystaniem dozymetrii termoluminescencyjnej TLD.

Fizyka środowiska

Działalność naukowa Zakładu Fizyki Środowiska koncentruje się na badaniach składu izotopów trwałych oraz stężenia izotopów promieniotwórczych w poszczególnych składnikach środowiska, w szczególności w odniesieniu do obiegu wody i węgla w przyrodzie. Prawidłowości wynikające z naturalnego frakcjonowania izotopów w procesach przyrodniczych oraz statystyczny charakter rozpadu jądrowego stanowią podstawę licznych zastosowań metod izotopowych w naukach o Ziemi (geologia, hydrologia, klimatologia). Zakład prowadzi również systematyczne pomiary stężeń i składu izotopowego gazów cieplarnianych w atmosferze.

• Zastosowania metod izotopowych w hydrogeologii
• Datowanie materiałów geologicznych i biologicznych
• Zastosowania metod izotopowych w paleoklimatologii
• Badania gazów cieplarnianych w atmosferze
• Badania dynamiki cyklu węglowego w środowisku wodnym

Zakład Fizyki Środowiska uczestniczy w projektach naukowych VI Ramowego Programu UE. Dotyczą one pomiarów stężenia gazów cieplarnianych ( w szczególności dwutlenku węgla) w powietrzu. Aktualnie rozpoczynają się także badania zmian zawartości wodoru w atmosferze (stoimy u progu ery wodorowej).

Hydrogeologia izotopowa

Występujące w środowisku izotopy trwałe (¹⁸O , ²H, ¹³C) i promieniotwórcze (³H, ¹⁴C) są wykorzystywane w hydrogeologii. Badania te służą określaniu pochodzenia, obszarów zasilania wód oraz ich wieku - czasu przejścia przez utwory geologiczne. Wiąże się to z problematyką określenia wielkości zasobów wodnych, ich jakości, podatności na zanieczyszczenia oraz ochrony. Analizy składu izotopowego ługów solnych, solanek i wód kopalnianych pomagają w bieżącej ocenie zagrożeń wodnych w kopalniach soli i węgla. KFŚ dysponuje unikatową metodą pomiaru składu izotopowego tlenu w małych próbkach wody (powyżej 20 ml). Jest ona stosowana w przypadkach, w których uzyskanie odpowiednio dużej próby wody jest bardzo trudne: para wodna, inkluzje wodne w minerałach (np. w kryształach halitu) i w naciekach jaskiniowych.

Datowanie materiałów geologicznych i biologicznych

Metoda radiowęglowa:

Izotop promieniotwórczy węgla ¹⁴C występowanie swoje w środowisku przyrodniczym zawdzięcza stałej produkcji dzięki docierającemu do Ziemi promieniowaniu kosmicznemu. Obecność radiowęgla w związkach organicznych i nieorganicznych, których pochodzenie wiąże się pośrednio lub bezpośrednio z atmosferycznym CO₂, stwarza możliwość datowania tych związków tj. określenie momentu, gdy żywy organizm obumarł lub zerwany został kontakt z atmosferą. Można w ten sposób określać wiek przedmiotów kultury materialnej, wydarzeń z dalszej i bliższej przeszłości, powstanie młodszych utworów geologicznych lub zamknięcia układu hydrologicznego. Podstawowa informacja tj. aktywność ¹⁴C w węglu zawartym w próbce w stosunku do aktywności tzw. współczesnej biosfery, czerpana jest z pomiarów radiometrycznych albo z bezpośredniego składu izotopowego (metoda AMS).

Metoda ołowiu ²¹⁰Pb:

Metoda ołowiu ²¹⁰Pb jest szeroko rozpowszechniona w datowaniu gleb, osadów jeziornych, morskich, torfów i lodu lodowcowego, w latach 90-tych podjęto również próby zastosowania jej do pozakorytowych osadów rzecznych. Istotą metody promieniotwórczy rozpad ²¹⁰Pb, który jest elementem naturalnego promieniotwórczego szeregu uranowego. Radioizotop ten powstaje między innymi w atmosferze, z rozpadu ²²²Rn, i opada na powierzchnię wchodząc w skład gleb i róznego rodzaju osadów. Obserwacja zmienności aktywności ²¹⁰Pb z głębokością w badanych osadach umożliwia określenie tempa tworzenia tych osadów, a więc również wieku poszczególnych warstw. Metodyka oznaczania aktywności ²¹⁰Pb w osadach stosowana w KFŚ opiera się na założeniu równowagi promieniotwórczej pomiędzy tym radioizotopem a ²¹⁰Po, który jest produktem jego rozpadu. Z badanych osadów ekstrahowany chemicznie, a następnie deponowany na powierzchni srebrnych krążków jest ²¹⁰Po. Aktywność ²¹⁰Po jest wyznaczana za pomoicą spektrometrii promieniowania ?.

Badania paleoklimatu

Metody izotopowe należą do najbardziej efektywnych narzędzi używanych w paleoklimatologii. Zmiany składu izotopów trwałych pierwiastków lekkich zachowane w różnorodnych archiwach klimatycznych wykorzystywane są jako indykatory zmian parametrów środowiskowych w przeszłości (temperatura, ilość opadów , wilgotność względna, itp.) natomiast izotopy promieniotwórcze zachowane w tych archiwach służą do określenia skali czasu rekonstruowanych zmian. Katedra Fizyki Środowiska ma bogate tradycje w badaniach paleoklimatycznych. Rozwijane są w szczególności trzy kierunki:

• badania składu izotopowego osadów jeziornych
• badania składu izotopowego nacieków jaskiniowych
• badania składu izotopowego materii organicznej

Prowadzone są od ponad 10 lat wszechstronne badania osadów jeziora Gosciąż, położonego koło Torunia. Jezioro to powstało w późnym glacjale (ok. 13 tys. lat temu) i do dnia dzisiejszego odłożyło się w nim ponad 16 metrów osadów o unikatowych własnościach (m.in. roczna laminacja). Kontynuowane badania izotopowe składu izotopowego węglanów, materii organicznej i skorupek okrzemek pozwolą na odtworzenie zmian klimatu i warunków środowiskowych w otoczeniu jeziora w okresie ostatnich 13 tys. lat. Rysunek poniżej pokazuje zapis składu izotopowego tlenu w węglanie osadzającym się w jeziorze. Wyraźnie widoczne jest ochłodzenie w okresie Młodszego Dryasu i ocieplenie w pierwszej połowie holocenu. Późniejszy spadek zawartości ¹⁸O wiązać należy ze zmianami lokalnych warunków hydrologicznych jeziora.

Badania gazów cieplarnianych w atmosferze

Skład powietrza atmosferycznego w Krakowie:

Badania stężeń i składów izotopowych gazów śladowych w atmosferze w Krakowie dostarczają informacji o wpływie emisji antropogenicznej na stan środowiska, a w szczególności skład atmosfery. Kraków jest miastem o gęstej zabudowie i dużym natężeniu ruchu kołowego położonym w dolinie Wisły, co sprzyja występowaniu sytuacji inwersyjnych w atmosferze. Powoduje to nagromadzanie gazów śladowych w dolnych warstwach troposfery (smog) szczególnie w godzinach nocnych. Ilustruje to zamieszczony poniżej wykres zmian stężenia dwutlenku węgla w Krakowie (niebieska linia) w porównaniu z tłem mierzonym na Kasprowym Wierchu (linia czerwona). W KFŚ prowadzony jest od 1982 roku ciągły monitoring stężenia i składu izotopowego atmosferycznego CO₂.

Skład powietrza atmosferycznego na Kasprowym Wierchu:

Od 1994 roku prowadzone są na Kasprowym Wierchu, we współpracy z Uniwersytetem w Heidelbergu, badania stężeń i składów izotopowych gazów cieplarnianych. W obserwatorium meteorologicznym IMGW umieszczona jest instalacja do ciągłego pobierania prób powietrza, a od 1996 działa automatyczny chromatograf gazowy. Ponadto prowadzone są badania aktywności ¹⁴C w CO₂ oraz stosunku stężeń O₂ do N₂ (we współpracy z Rijksuniverisiteit Gronningen). Pierwsze uzyskane wyniki potwierdziły przydatność stacji jako kolejnego punktu pomiarowego w globalnej sieci monitoringu gazów cieplarnianych.

Dwutlenek węgla: Poniższy rysunek podsumowuje wyniki systematycznych pomiarów stężenia atmosferycznego dwutlenku węgla na stacji pomiarowej Kasprowy Wierch. Przedstawiony zapis zmienności stężenia CO₂ wykazuje typowe cechy obserwowane na obszarze kontynentalnym średnich szerokości geograficznych. Zimowe maksimum mierzonego stężenia kończy się w marcu, gdy rozpoczyna się znacząca aktywność biosfery i proces fotosyntezy zaczyna usuwać z dolnej atmosfery dwutlenek węgla. Minimum stężenia CO₂ osiągane jest z reguły na przełomie sierpnia i września. W dolnej części rysunku pokazano również dla porównania przebieg zmienności stężenia CO₂ dla stacji Schauinsland w południowych Niemczech. Stacja ta, położona w odległości ok. 1000 km na zachód od Kasprowego Wierchu, jest stacją o najdłuższym zapisie zmian stężenia atmosferycznego CO₂ na kontynencie europejskim. Podobnie jak Kasprowy Wierch, jest również położona na szczycie góry (1205 m.p.p.m, 300 metrów poniżej górnej granicy lasu). Dane pomiarowe dla stacji Schauinsland są dostępne tylko do 2001 roku.

Zestawienie danych pomiarowych dotyczących stężenia dwutlenku węgla w atmosferze, dostępnych dla stacji KASLAB na Kasprowym Wierchu.

W części zapisu stężenia dla której dostępne są również dane dla stacji Schauinsland, widać iż wygładzone przebiegi stężenia CO₂ dla obu stacji wykazują bardzo podobną charakterystykę, mimo iż amplitudy zmian sezonowych obserwowane na stacji Schauinsland są generalnie mniejsze. Wzrost amplitudy sezonowej w miarę przesuwania się w głąb kontynentu jest zrozumiały biorąc pod uwagę rozciągły charakter i wyraźną sezonowość "pompy biologicznej". Na powyższym rysunku widać że, podczas gdy maksima zimowe stężenia są bardzo podobne na obu stacjach, na Kasprowym Wierchu występują wyraźnie głębsze minima letnie. Znaczne podobieństwo zapisów zmian stężenia na obu stacjach wskazuje na to że obserwowane zmiany długoterminowe i fluktuacje w amplitudzie zmian sezonowych mają swe źródło w procesach o skali kontynentalnej bądź większej, mających być może swe źródło w zjawisko El Nino.

Metan: Poniższy rysunek podsumowuje wyniki pomiarów stężenia CH₄ na stacji KASLAB na Kasprowym Wierchu za lata 1995-2002. Ponadto pokazano również w postaci krzywych ciągłych średnie miesięczne stężenia CH₄ dla następujących stacji położonych na kontynencie europejskim: stacja Mace Head, Irlandia (NOAA/CMDL, 2003); stacja Schauinsland, Niemcy, oraz Kasprowy Wierch. Dane dla stacji Schauinsland i Mace Head były dostępne tylko do 2001 roku. Dane pomiarowe ze stacji Mace Head w Irlandii mogą być uważane za reprezentatywne dla powietrza oceanicznego pozbawionego wpływów kontynentalnych. Jak widać na rysunku, dane ze stacji Mace Head wykazują słaby sygnał sezonowy (maksimum stężenia CH₄ w miesiącach zimowych, minimum w miesiącach letnich). Spowodowane jest to wpływem reakcji metanu z wolnymi rodnikami OH, której intensywność zależy od natężenia promieniowania ultrafioletowego wykazującego maksimum w miesiącach letnich. Nad kontynentem europejskim ten słaby sygnał sezonowy jest stłumiony przez emisje powierzchniowe metanu, głównie antropogeniczne, które nie mają charakteru sezonowego. Jednakże, w zapisie średnich miesięcznych stężenia CH₄ zarówno dla Schauinsland jak i dla Kasprowego Wierchu widoczne są liczne minima i maksima nie związane z sezonowością. Pochodzenie tych stosunkowo dużych wahań stężenia CH₄ nie jest jasne. Być może wiążą się one z lokalnymi źródłami tego gazu. Średnie roczne stężenia metanu mierzone na Kasprowym Wierchu wzrosły z 1827 ppb w 1995 roku do 1870 ppb w 2002 roku

Zestawienie danych pomiarowych dotyczących stężenia metanu w atmosferze, dostępnych dla stacji KASLAB na Kasprowym Wierchu.

Średni narost stężenia CH₄ między Mace Head i Kasprowym Wierchem w okresie 1996-2001 wyniósł 24 ą 4 ppb (1 ? wartości średniej). Dla danych z Schauinsland ten narost wyniósł ok. 13 ppb. Obserwowany stopniowy narost średniego stężenia CH₄ w dolnej atmosferze nad kontynentem europejskim przy posuwaniu się od Oceanu Atlantyckiego w głąb kontynentu ma najprawdopodobniej swoje źródło w powierzchniowych emisjach antropogenicznych tego gazu.

Sześciofluorek siarki: Wyniki pomiarów stężeń SF₆ dostępne dla stacji KASLAB na Kasprowym Wierchu pokazane są na poniższym rysunku. Pomiary z lat 1995-2000 reprezentują średnie dobowe pomiarów in-situ na Kasprowym Wierchu, natomiast pomiary z okresu listopad 2002 - kwiecień 2003 odnoszą się do chwilowych próbek powietrza pobieranych w odstępach dwu-tygodniowych, zawsze w godzinach nocnych.

Przedstawione na rysunku średnie dobowe stężenia SF₆ wykazują znaczny rozrzut, dochodzący do 30% mierzonego stężenia. Podobny rozrzut średnich wartości dobowych obserwowano dla stacji Schauinsland. Rozrzut ten wynika najprawdopodobniej ze zmiennego tła SF₆ w masach powietrza przemieszczających się nad kontynentem europejskim. W zależności od kierunku napływu mas powietrza oraz od czasu ich przebywania nad kontynentem, poziom stężenia SF₆ może być różny. Porównanie średnich dobowych z próbkami chwilowymi pokazuje iż te ostatnie wykazują ok. 2-krotnie mniejszy rozrzut mierzonych stężeń. Może to wynikać z faktu iż próbki chwilowe były pobierane w godzinach nocnych kiedy istniało największe prawdopodobieństwo że próbkowane powietrze reprezentuje tło regionalne, pozbawione efektów lokalnych.

Pomiary stężenia SF₆ na stacji pomiarowej KASLAB na Kasprowym Wierchu w okresie czerwiec 1996 - kwiecień 2003

Dla porównania na rysunku pokazano również średnie miesięczne stężenia SF₆ mierzone na stacji Point Barrow na Alasce (71.32N; 156.61W) oraz średni przebieg stężenia SF₆ dla półkuli północnej, wyznaczony głównie w oparciu o stacje oceaniczne (źródło danych: http://www.cmdl.noaa.gov/hats/). Jak z rysunku, podczas gdy mierzona szybkość wzrostu stężenia SF₆ na Kasprowym Wierchu jest zgodna z krzywą reprezentującą półkulę północną, zdecydowana większość punktów pomiarowych leży nad ta krzywą, wskazując na udział źródeł powierzchniowych tego gazu na kontynencie europejskim na mierzone stężenia w głębi kontynentu.

Zapraszamy do odwiedzenia strony poświęconej projektowi ciągłych pomiarów cieplarnianych gazów śladowych na Kasprowym Wierchu - KASLAB.

Badania dynamiki cyklu węglowego w środowisku wodnym

Antropogeniczny wzrost atmosferycznych stężeń CO₂ i CH₄ jest głównym czynnikiem odpowiedzialnym za obserwowane w skali globalnej zmiany klimatu. Zawartość tych gazów w atmosferze uwarunkowana jest przez globalny obiegu węgla, na który składają się procesy fizykochemiczne i biologiczne zachodzące również w hydrosferze, biosferze i litosferze. W KFŚ prowadzono następujące prace dotyczące obiegu węgla w środowiskach wodnych:

• Bilans węgla dla jeziora Gościąż. Prace obejmowały obserwacje stężenia i składu izotopowego rozpuszczonego węgla nieorganicznego, strumienia i składu izotopowego kalcytu strącającego się w jeziorze oraz produktywności pierwotnej. Stworzono również komputerowy model ewolucji izotopowej wód jeziora (w tym ?¹³C) w holocenie.
• Dynamika rozpuszczonego węgla nieorganicznego w Wiśle. Prace wykonane w ramach grantu KBN obejmowały obserwacje stężenia i składu izotopowego rozpuszczonego węgla nieorganicznego oraz innych parametrów fizykochemicznych w Wiśle i jej dopływach. Obserwacje prowadzono w ciągu jednego roku w Krakowie i przy ujściu Wisły. Przeprowadzono również dwie kampanie pomiarowe, latem i późną jesienią, wzdłuż biegu Wisły.
• Obserwacje oraz modelowanie obiegu węgla w niewielkim cieku wodnym wypływającym ze źródła krasowego w Tyńcu.

Symulacja przepływu masy i energii

Z zagadnieniami mechaniki płynów mamy powszechnie do czynienie zarówno w otaczającym nas środowisku naturalnym jak i procesach technologicznych oraz zagadnieniach technicznych. W środowisku naturalnym jest to ruch mas powietrza (wiatry), ruch wody (fale morskie, przepływ wody w rzekach i potokach), transport fazy stałej przez płyn (ruchy piasku na pustyni, ruch rumowiska rzecznego i morskich osadów dennych, rozchodzenie się zanieczyszczeń gazowych i stałych w atmosferze), a w przypadku organizmów żywych od oporu ruchu zwierząt latających i pływających do przepływu krwi w organizmie. W technice i technologii do zagadnień mechaniki płynów należą miedzy innymi: opływy okrętów podwodnych – samolotów – samochodów, rozkład temperatur i przepływ płynów w układach chłodzących i wymiennikach ciepła, przepływ ciepła i masy w reaktorach chemicznych z uwzględnieniem reakcji chemicznych, spalanie paliw płynnych - stałych – gazowych, separacja różnych faz w tym oczyszczanie powietrza oraz wiele innych zagadnień.

Daniel Bernoullii (1700-1782) jako pierwszy rozpoczął matematyczny opis przepływu płynów w oparciu o zasadę zachowania energii i ciągłości przepływy masy. Ten pierwszy opis nie uwzględniał lepkości (sił tarcia) przepływającego płynu jak i powszechnie występujących turbulencji w czasie przepływu płynu. Uwzględnienie w opisie matematycznym sił lepkości i turbulencji związane jest z tak powszechnie znanymi nazwiskami jak Poiseuille, Reynolds czy Stokes. Mimo ogromnego zaangażowania intelektualnego i badawczego naukowców, do dnia dzisiejszego nie udało uzyskać pełnego matematycznego opisu turbulentnych przepływów płynów. Podstawowym problemem jest "chaotyczne" zachowanie się zjawisk turbulencji.

Pomimo tych problemów bazując na podstawowych prawach fizyki oraz teoretyczno-doświadczalnych zależnościach udało się opracować modele, które w wielu szczegółowych zagadnieniach dają zadawalająco dokładny, czyli wystarczająco zgodny z rzeczywistością opis przepływu płynu. Modele te stanowią określony zbiór równań różniczkowych i algebraicznych rozwiązywanych numerycznie, czyli przy zastosowaniu komputerów a są to najczęściej komputery o dużych mocach obliczeniowych. Duże zapotrzebowanie na tego typu obliczenia spowodowało pojawienie się komercyjnych programów do symulacji przepływu płynów w skrócie zwanych CFD (Computational Fluid Dynamics). Do takich programów należą FLUENT, ANSYS, FIDAP , które dla naukowego środowiska krakowskiego dostępne są w ACK-CYFRONET-AGH.

Na Wydziale Fizyki i Informatyki Stosowanej używany jest program FLUENT do symulacji procesów rozdziału cząstek fazy stałej w hydrocyklonie i usuwania pyłów z powietrza za pomocą cyklonów. Numeryczne rozwiązywanie zagadnień przepływu płynów jest jednym z problemów związanych z kształceniem na Wydziale studentów na kierunku Informatyka Stosowana oraz Fizyka Komputerowa. Dla zobrazowania możliwości programów CFD na poniższych rysunkach przedstawiono wyniki symulacji procesów, które każdy, na co dzień ma możliwość obserwować.

Informatyka stosowana i fizyka komputerowa

Główne kierunki badań prowadzonych w Katedrze Fizyki Teoretycznej i Komputerowej WFiIS AGH obejmują modelowanie własności elektronowych nanourządzeń półprzewodnikowych oraz symulacje komputerowe obliczeń kwantowych. Kierunek pierwszy pozwala na projektowanie skrajnie zminiaturyzowanych układów elektronicznych o rozmiarach nanometrowych (od 1/1000 do 1/10 mikrometra), kierunek drugi dostarcza podstaw fizycznych do budowy przyszłego komputera kwantowego. W badaniach tych aktywnie uczestniczą doktoranci i studenci. Przykładem badań naukowych wykonanych przy udziale studentów jest obliczenie rozkładu ładunku elektronów uwięzionych w nanostrukturze półprzewodnikowej w silnym polu magnetycznym. Załączone rysunki pokazują wyniki dla 9 elektronów. Zostały one opublikowane w renomowanym czasopiśmie naukowym Journal of Physics: Condensed Matter [16 (2004) 1425].

Rozkład ładunku elektronów uwięzionych w nanostrukturze półprzewodnikowej w silnym polu magnetycznym.

Katedra Informatyki Stosowanej wyłoniła się w 2002 roku, jako instytucjonalne wsparcie nowego kierunku studiów Informatyka Stosowana. Pracują tu fizycy z zacięciem informatycznym, toteż komputery są tu najważniejszym narzędziem badań, a symulacje – główną ich metodą. Jak to bywa z działalnością intelektualną, trudno te badania podciągnąć pod jeden wspólny mianownik. Zajmujemy się tu m. in. cechami genetycznymi populacji, zachowaniami oddziałujących ze sobą mikrodrutów magnetycznych, mechaniką statystyczną DNA, dynamiką układów społecznych, teorią lawinowych zmian sieci. Opiszemy tu jeden wspólny temat tych badań, a mianowicie stabilność stanu układu złożonego.

Opis teoretyczny każdego badanego układu wymaga wprowadzenia liczb. Mogą to być położenia kolejnych molekuł łańcucha DNA, namagnesowanie mikrodrutów, opinie ludzi nt. lustracji, wiek ujawnienia się chorób genetycznych. Te liczby zmieniają się w czasie, i zmiany te są odtwarzane przez symulację komputerową. Przypuśćmy że sztucznie zmienimy nieco jedną z tych liczb. Jakie będą konsekwencje tej zmiany dla całego badanego układu?

W kolejnych chwilach czasu ewolucja układu może doprowadzić do usunięcia skutków tej zmiany. Można powiedzieć, że zmiana została zapomniana. Inna możliwość to trwanie tej zmiany w ograniczonej części układu. Ale możliwe jest też, że zmiana rozprzestrzeni się na cały układ. Mała zmiana namagnesowania jednego drutu doprowadzi, poprzez oddziaływanie magnetostatyczne, do zmiany wszystkich drutów. Uszkodzenie genetyczne ogarnie całą populację. Entuzjazm jednego człowieka porwie innych – itp. Mówimy wtedy o niestabilności układu.

W badaniach główną pracę wykonuje młodzież: doktoranci i studenci. W ostatnich kilku latach wyniki naukowe uzyskane przez naszych studentów starszych lat doczekały się publikacji w renomowanych czasopismach naukowych. Ci studenci to: Rafał Kosturek - z symulacji epitaksjalnego wzrostu powierzchni, Marcin Zborek i Bartłomiej Wróbel - z magnetyzmu sieci Archimedesa, Aleksander Kardas, Jakub Czaplicki i Sebastian Piec - z teorii grafów, Justyna Karpińska - z modelowania dobierania się w pary, Sabina Kaczanowska - z modelowania pożarów lasu, Dominik Kawalec - z modelowania chaotycznych zachowań wahadła, skonstruowanego w zespole demonstracji dydaktycznych Wydziału.

A na załączonym rysunku jest pokazany graf, wyhodowany w komputerze. Graf może obrazować zbiór stanów molekuły i przejścia między nimi, albo społeczność i kontakty między jej członkami, albo jeszcze coś innego. Opis matematyczny jest z konieczności zawężeniem rzeczywistości do wybranych jej aspektów, które z jakichś powodów uważamy za ciekawe. Zawężenie jest ceną płaconą za to, że ten sam matematyczny język (tu: teorię grafów) stosuje się do opisu i symulacji bardzo różnych układów, od magnetyzmu do socjologii. Wygląda więc na to, że warto uczyć się matematyki.

Graf wyhodowany w komputerze.