A vasnál nehezebb kémiai elemek szintézisének egyik fő folyamata a neutronbefogási reakciókon keresztül zajló asztrofizikai s-folyamat. A neutrongazdag stabil oxigénizotópokon (¹⁷O, ¹⁸O) lejátszódó alfa-indukált reakciók jelentősen befolyásolják az s-folyamatban a neutronháztartást, így e reakciók sebességét a jellemző viszonylag alacsony (1 milliárd Kelvin alatti) hőmérsékletekre pontosan kell ismernünk.

Jelen munkában a ^17,18O(α,n)^20,21Ne reakciók mért hatáskeresztmetszetét hasonlítja össze a szerző statisztikusmodell-számítások eredményeivel. A statisztikus modellt általában magasabb tömegszámtartományokban alkalmazzák, így a jelenlegi vizsgálat arról is információt ad, hogy a modell érvényességi köre meddig és milyen feltételekkel terjeszthető ki a könnyű magok irányába.

Az eredmények azt mutatják, hogy a statisztikus modell a sztenderd alfa-mag optikai potenciállal, mint kulcsparaméterrel, elfogadható pontossággal visszaadja a kísérleti adatokból származtatott reakciósebességeket mintegy 2-3 milliárd Kelvin hőmérséklet fölött. Mivel a reakciósebesség kiszámításához a hatáskeresztmetszetet széles energiatartományban kell figyelembe venni, így a könnyű magokra jellemző izolált rezonanciák hozzájárulása kiátlagolódik. Magas hőmérsékleteken tehát a statisztikus modell megbízhatóan alkalmazható olyan reakciók esetén, ahol kísérleti adat nem áll rendelkezésre.

A vizsgált reakciók esetén az s-folyamatra jellemző alacsony hőmérsékleteken azonban az egyedi rezonanciák domináns hatása miatt a statisztikus modell nem eléggé megbízható, így a kísérleti adatokra támaszkodó reakciósebességek használata javasolt. Jelen munka szintén rávilágít a ¹⁷O(α,n)²⁰Ne reakcióra vonatkozó kísérleti adatokban található ellentmondásra, aminek a feloldása fontos jövőbeni feladat.

Molekuláris ütközésekben az atomi ütközésekre jellemző, és ma már elég jól ismert folyamatok, úgymint gerjesztés, ionizáció, elektron befogás, stb. repertoárja kibővül a molekulák szétesésével, idegen szóval disszociációjával. A molekulák szétesése lehet egy másodlagos folyamat, melynek kiváltó oka gerjesztés, vagy ionizáció. A molekula egyes atomjai direkt kéttest ütközések eredményeként is távozhatnak. Az általunk vizsgált ion-molekula ütközésekben lejátszódó molekula szétesés bonyolult folyamat, sok lehetséges átmeneti- és végállapottal. Az ütközésben közvetlenül keletkező molekulaion lehet alap- vagy gerjesztett állapotú. A szétesés szempontjából lehet stabil, de akár 10-14 s alatt darabokra eshet szét. Az így keletkező molekulatöredékek (fragmentumok) tulajdonságai is sokfélék lehetnek: egy vagy több atomból álló, semleges vagy töltött, ill. alap vagy gerjesztett állapotú töredékek.

A molekulák többszörös ionizációját követő szétesését „Coulomb-robbanásnak” tekinthetjük. Ekkor a kialakult töltéscentrumok egymást taszító hatásai mintegy szétvetik a molekulát. A molekulatöredékek mozgási energiáját is főként ez a kezdeti elektrosztatikus taszítás határozza meg. Ennek megfelelően a fragmentumok kinetikus energiája az ütközésben keletkezett átmeneti molekulaion töltésállapotával növekszik, mert az egyre nagyobb töltésű részek egyre erősebben taszítják egymást. Az Atomkiban egy, a molekulafragmentáció vizsgálatára optimalizált mérőrendszerrel vizsgáljuk a molekulák szétesését. A gyorsított ionnyalábot gázsugár céltárggyal ütköztetjük. Az ütközési zónából kilépő töltött molekulatöredékek szögeloszlását és mozgási energiáját, egy elektrosztatikus spektrométerrel vizsgáljuk. Az így kapott energia és szög szerint differenciális spektrumokból kétszeresen differenciális fragmentációs hatáskeresztmetszeteket határozunk meg. Ez a mennyiség már közvetlenül is összehasonlítható az elméleti módszerekkel kapott eredményekkel.

Jelen munkában a vízmolekula gázfázisban történő fragmentációját vizsgáltuk. Bombázó lövedékként 1 MeV energiájú H+ és He+, valamint 650 keV energiájú N+ ionokat használtunk. Mindhárom lövedékenergia a vízben maximális energialeadáshoz tartozó ún. Bragg-csúcs alacsony energiás oldalára esik. Továbbá mindhárom lövedék egyszeresen töltött, ami jellemző egyensúlyi töltésállapota a vízben, vagy élő szövetben ebben az energiatartományban fékeződő ionoknak. Eredményeink tehát relevánsak a sugárzás és élő szövetek kölcsönhatásainak szempontjából. Azt találtuk, hogy a vízmolekula legmagasabb ionizáltsági foka a lövedék magtöltésével növekedett: H+-nál 3, He+-nál 4, N+-nál pedig 5 volt. A He+ és N+ bombázásnál tapasztalt magasabb ionizációs fokokat a lövedékek sebességkülönbségével, és a közeli ütközésekben az iontöltésnél nagyobb effektív töltéssel magyaráztuk. Meghatároztuk a különböző ionizációs fokokhoz tartozó hatáskeresztmetszeteket, és összehasonlítottuk klasszikus fizikai (CTMC), és kvantummechanikai alapú elméleti módszereink (CDW-EIS) többszörös ionizációra vonatkozó eredményeivel. Ezek alátámasztották a közeli ütközések többszörös ionizációban betöltött szerepét. Az elméleti többszörös ionizációs hatáskeresztmetszetek jó egyezést mutattak a kísérletekkel. Magasabb ionizációs fokok esetén azonban mindkét elmélet fokozatosan túlbecsüli a mért hatáskeresztmetszeteket (lásd az ábrát). Ezt annak tulajdonítjuk, hogy az elméletek nem veszik kellőképpen figyelembe az elektron-elektron kölcsönhatást. Az egyezés N+ lövedéknél magas ionizációs fokig (q=4) jó, ami arra utal, hogy az ütközésben átadott energia és az elektron-elektron kölcsönhatási energia viszonya fontos tényező ezekben az ütközésekben.

    A fémfelületek korrózió elleni megóvása és időállósága érdekében az iparban különböző módszereket és eljárásokat alkalmaznak. Egyik ilyen eljárás a galvanikus bevonatolás, amelyben a mintadarabot egy magas hőmérsékletű fémötvözet olvadékba mártják. A folyamat során folytonos vékony fém/fémoxid felület alakul ki a felületen, mely védi a mintadarabot az oxidációtól. Ráadásul a vékony felületi fémréteg elektronegativitása nagyobb a mintadarab elektronegativitásánál, elősegítve ezzel a védőréteg oxidációját a minta oxidációja helyett. Bevonati rétegnek célszerű olyan fémet választani, melynek természetes oxidjai stabilak. Jelen cikkben Zn(Ti) ötvözetet használtunk felületi védőrétegnek. A magyar szakirodalom ezt tűzihorganyzásnak nevezi. Az így előállított felületi vékonyréteg vegyi és optikai tulajdonságait vizsgáltuk, továbbá feltérképeztük a titán-oxid állapotainak mélységi eloszlását.

    Másodlagos semleges részecske tömegspektrometriai és Röntgen-gerjesztéses fotoelektron spektroszkópia módszereket alkalmaztunk a mélységi elemeloszlás és a kémiai állapotok feltárására a felület legfelső 100 nm vastagságában. A galvanizált minták előállítása során a galvánfürdő hőmérsékletét és kémiai összetételét szisztematikusan változtattuk, aminek eredményeképpen változott a felület optikai tulajdonsága és a minták színe (a mellékelt ábrán a "Blue", "Purple", "Yellow" és "Grey" feliratok a minták színét jelentik). Kísérleteinkkel megmutattuk, hogy a jelenség hátterében a Ti diffúziója áll. Különböző előállítási hőmérsékleteken más-más szerkezetű titán-oxid réteg alakul ki. Mivel a vékony titán-oxid réteg a látható fény tartományában átlátszó és így színtelen, a minták különböző színét a titán-oxid réteg vastagsága eredményezi reflexiós interferencia kialakulásával. Fotoelektron spektroszkópiai mérésekkel kimutattuk, hogy a titán oxidációs állapotai rétegszerkezetet alkotnak a felület közelében. A rétegszerkezetet a bevonati réteg kémiai összetétele és kihűlési sebessége határozza meg. A titán-oxid réteg szerkezetének kimutatása teljesen új eredménynek számít nemcsak műszaki mérnöki szempontból, de anyagtudományi szempontból is. Megmutattuk azt is, hogy milyen feltételek mellett alakul ki egy összefüggő vékony titán-oxid réteg az anyag felületén, hogy a mintadarab korrózióálló legyen. Bebizonyítottuk továbbá, hogy nanométer skálán a rétegnövekedés aktivációs energiája megegyezik a felületi durvaság növekedéséhez szükséges aktivációs energiával, vagyis minél vastagabb a fedőréteg, annál durvább a felülete.

A nagyenergiájú részecskegyorsítók ionnyalábjaival elért tudományos eredmények mindig nagy figyelmet kapnak a sajtóban, a vezető hírek közé tartoznak. Ezért mindenki tudja, érzi a részecskegyorsítók jelentőségét. Sokan hallottak arról is, hogy gyorsítókat ma már nem csupán tudományos kutatásra, hanem konkrét alkalmazásokra (félvezetők gyártására, felületmódosításra), vagy orvosi gyógyításra (tumor-terápiára) is használnak. Azt viszont már kevesebben tudják, hogy a berendezések által gyorsított ionnyaláb létrehozásához az anyagot kezdetben minden esetben plazma-állapotba kell hozni. Erre a célra leggyakrabban elektron-ciklotronrezonancia (ECR) elven működő plazmaberendezéseket, ionforrásokat használnak.

Az ECR plazmaforrásokból kivont ionnyaláb tulajdonságait (fényesség, emittancia) nagymértékben meghatározzák a forrásként szolgáló plazma sűrűségviszonyi, valamint a plazmát jellemző paraméterek térbeli eloszlása. Napjainkra egyértelművé vált, hogy ezek pontos ismerete nélkül az ionforrások jelentős fejlesztése és ezáltal a gyorsítókkal végzett tevékenységek optimalizálása, bővítése nem lehetséges.

Az ECR ionforrások megjelenését követően, a berendezés plazmájának minél jobb megismerésének érdekében különböző diagnosztikai eljárásokat dolgoztak ki és alkalmaztak. Az eljárások két jól elkülöníthető csoportba sorolhatók: lokális és globális diagnosztika. A lokális módszer esetében egy kisméretű fémelektródát helyezünk a plazmába és a szondán mért feszültség-áram karakterisztika segítségével kapunk helyi/lokális információt a plazmát leíró paraméterekről. Előnye a térbeli feloldás, hátránya, hogy invazív, maga a mérés hatással van a mért paraméterekre. A globális plazmadiagnosztika módszere azon a tényen alapszik, hogy a plazma részecskéinek ütközése révén elektromágneses sugárzást bocsát ki, széles energiasávban: infravöröstől a röntgen tartományig. Ezen sugárzások detektálásával és elemzésével, információt nyerhetünk a plazmakomponensek (elektronok, ionok) energia eloszlásáról, sűrűségéről. Előnye, hogy az eljárás nincs hatással a plazma-folyamatokra, hátránya, hogy a megfigyelés a plazma egészére vonatkozik, globális jellegű.

Munkánk során a globális diagnosztika egy speciális, részben lokális (axiálisan projektált, kétdimenziós) szerkezeti információt nyújtó alfaját alkalmaztuk. Speciális röntgenkamera és egy kisméretű apertúra (átmérő: 100 mikrométer) segítségével, a több mint ezer éve ismert képalkotási eljárás (camera obscura) mintájára felvételeket készítettünk az Atomki ECR ionforrás plazmájáról a forrás beállítási paramétereinek függvényében. A módszer hatékonyságát példázva cikkünk két, talán legjelentősebb megfigyelési eredményét említjük meg: (1) 2008 óta ismert, hogy a plazmából kivont nagytöltésű ionok hányadának változása a plazmát gerjesztő mikrohullám frekvenciájának függvényében nem lineárisan változik és az úgynevezett skálatörvényekkel nem írható le. Munkánk során a speciális képalkotási eljárásnak köszönhetően a plazma szerkezetének jelentős változását, átrendeződését figyeltük meg a frekvencia függvényében. Az átrendeződést az üregrezonátorként működő plazmakamrában kialakuló hullám módusok sűrűségének (nem lineáris) változásával magyaráztuk. (2) Cikkünkben kimutattuk, hogy a henger alakú plazmakamrában a kisenergiájú plazmaelektronok elveszése axiálisan, míg a nagyenergiájú elektronveszteség sugárirányban domináns.

Tellúr nanoszálak nedves-kémiai szintézisének sebességét vizsgáltuk inert makromolekulák zsúfolt környezetében. Ennek a zsúfoltságnak a katalizáló hatását szervetlen kristályok növesztése esetében elsőként figyeltük meg.

Köztudott, hogy a makromolekuláris zsúfoltság az élet normál működésének egyik elengedhetelen feltétele, amely a szerves makromolekulák fiziologógiai folyamatait nemspecifikus módon szabályozza. Miközben olyan biokémiai folyamatokat, mint a fehérjeszintézis vagy enzimatikus reakciók, kísérletileg és elméletileg is alaposan vizsgáltak zsúfolt környezetben, szervetlen molekulák szintetikus folyamatait gyakorlatilag senki sem vizsgálta. Ilyen rendszerekben a fáziátalakulások és fázisstabilitás ismeretének jelentősége kompozit nanoszerkezetek élő szervezetben történő alkalmazásaiban rejlik, melyek során a zsúfolt környezet jelentősen módosíthatja tervezett feladatukat.

Tanulmányunkban ultravékony (5-7 nm átmérőjű) tellúr nanoszálakat állítottunk elő. A szintézist hidrotermális körülmények között 105 ^oC-on végeztük nátrium tellurit (Na₂TeO₃) prekurzor, hidrazin (N2H4) redukálószer, valamit polivinilpirrolidon (PVP) vizes oldatában. A kémiailag inert PVP stabilizáló és zsúfoló adalékanyagként vett részt a folyamatban, melynek koncentrációját híg és zsúfolt tartományok között szisztematikusan változtattuk.

A nanoszálak morfológiai fejlődését és szálirányú növekedését a kristály excitonikus gerjesztésével optikailag követtük nyomon az UV-Vis spektrumban, kihasználva a tényt, hogy a kristálynövekedési sebesség és az abszorbancia változási sebessége között egyértelmű a kapcsolat egydimenziós nanoszerkezetek szintézise esetében.  

A megfigyelt katalitikus hatást elsősorban a zsúfolt tér szerkezeti elrendeződésével kapcsolatos entropikus erők megjelenésével magyaráztuk.
Korábbi szimulációs vizsgálatok arra utalnak, hogy zsúfolt, kompartmentalizált térben értelmezhető a reakciósebesség növekedése ha a folyamatok termodinamikai kontrol alatt maradnak a zsúfoltság miatt gátolt kinematika ellenére.

A platinának 6 természetes izotópja van, melyek közül a ¹⁹⁰Pt gyakorisága a legkisebb, 0,014%. Ez az izotóp nem stabil, α-bomlással ¹⁸⁶Os keletkezik belőle.

A ¹⁹⁰Pt/¹⁸⁶Os rendszert széles körben alkalmazzák kormeghatározásra a geo- és kozmokémiában. Mivel a platina az olvadékban szeparálódhat az ozmiumtól, ezen izotópok fontosak a földköpeny differenciálódási folyamatainak megértésében. A ¹⁹⁰Pt izotóp felezési idejét az 1960-as évektől kezdődően több kutatócsoport is meghatározta. Mivel ez az izotóp kis koncentrációban fordul elő és felezési ideje hosszú, az eredmények jelentős szóródást mutattak (2x10¹¹ és 12x10¹¹ év között). A kormeghatározásokhoz ajánlott felezési idő 6,5(3)x10¹¹ év, de az adatok jelentős szórása miatt fontosnak tartottuk a felezési idő új meghatározását. A mérésekhez Kai Zuber és munkatársai alacsony hátterű kettős rácsos Frisch-féle ionizációs kamrát építettek. A háttérméréseknél 1 és 3,5 MeV tartományban 30,8 nap alatt 22 beütést számláltak. Természetes eredetű, nagy tisztaságú platinát párologtattak szilícium lapokra, a Pt réteg vastagsága 400 nm körüli volt. A mérés ideje 75,9 nap volt.

A mi feladatunk a mérésekhez használt platina izotóp arányának meghatározása volt. Ehhez lézer ablációs induktív csatolású tömegspektrometriás módszert (LA-ICP-MS) dolgoztunk ki. NWR-213 lézer ablációs berendezést és Agilent 8800 ICP-MS készüléket használtunk. Meghatároztuk a különböző gyártóktól beszerzett Pt minták nyomszennyezőit, és kiválasztottuk a mérésekhez optimális alapanyagot. Mivel a ¹⁹⁰Os az ozmium leggyakoribb izotópja, meg kellett határoznunk a mintákban nyomokban előforduló ozmium mennyiségét is, hogy a korrekciós számításokat el tudjuk végezni. A zavarás kiküszöböléséhez a ¹⁸⁸Os és ¹⁸⁹Os izotópokat is mértük. Ezen kívül az iridium, valamint a higany zavaró hatását is ki kellett zárnunk. A módszert ismert Pt izotóp arányú standard (IRMM-18) mérésével validáltuk.

A korábbi felezési idő meghatározásoknál a platina természetes izotóparányából becsülték a ¹⁹⁰Pt mennyiségét. Mérési eredményeink alapján a felhaszált platinában a ¹⁹⁰Pt aránya kis mértékben, de eltért az átlagtól, így a felezési idő meghatározásánál figyelembe kellett venni.

A ¹⁹⁰Pt felezési ideje T_1⁄2 = (4,97 ± 0,16) x 10¹¹ évnek adódott. Ez az eredmény jó egyezést mutatott a geológiai módszerekkel meghatározott korábbi értékekkel.