Katedra Fizyki Materiałowej

Z chwilą powstania Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej w końcu roku 1944 powołany został Wydział Przyrodniczy (wkrótce Matematyczno-Przyrodniczy); w jego skład weszły Katedry Fizyki Doświadczalnej i Fizyki Teoretycznej. Kierownikiem Katedry Fizyki Doświadczalnej został prof. Stanisław Ziemecki, przed wojną pracownik Szkoły Politechnicznej Wawelberga i Rotwanda oraz SGGW. W owym czasie zajmował się głównie badaniami promieniowania kosmicznego; kierował m.in. programem naukowym przygoto-wywanego rekordowego lotu balonu na wysokość ok. 30 km. Na pokładzie znajdowały się komory jonizacyjne i trzy teleskopy z tacami liczników Geigera-Müllera. Urządzenia automatycznego zapisu wyników pomiarowych w trakcie lotu zbudował p. Lewandowski, którego po wojnie do UMCS prof. Ziemecki sprowadził jako kierownika warsztatu mechanicznego przy jego Katedrze. Niestety, podczas przygotowań do startu balonu nastąpił wybuch wodoru, który uszkodził powłokę. Ponowny start zaplanowano na jesień 1939 r., co uniemożliwił wybuch wojny. Gdyby start się powiódł, odkrytoby spadek natężenia promie-niowania kosmicznego na dużych wysokościach, gdzie nie występuje już wtórne promieniowanie wytwarzane w atmosferze (wykazał to wkrótce lot bezzałogowego balonu Pfotzera w r. 1940).

W pierwszych latach po wojnie, w nowotworzącym się uniwersytecie nie było możliwości uprawiania systematycznie badań naukowych, zwłaszcza w dziedzinie promieniowania kosmicznego (już nie było balonów, a jeszcze nie było dostępnych rakiet), nie mniej wykonano szereg prac z zakresu fizyki jądrowej i pokrewnych. Emanuel Trembaczowski badał promieniotwórczość naturalną (tj. zawartość radonu) wód na Sławinku, traktowanym wówczas jako uzdrowisko, Danuta Stachórska zajmowała się procesami kondensacji zachodzącymi w komorze Wilsona. Istotny postęp i utworzenie stałego kierunku badań należy zawdzięczać Włodzimierzowi Żukowi, który zbudował pierwszy w Polsce spektrometr mas i wraz ze współpracownikami badał skład izotopowy pierwiastków lekkich. Spektrometria mas stała się głównym kierunkiem badań w Katedrze, którą po śmierci prof. Ziemeckiego w r.1956 objął prof. Żuk.

Po zmianach politycznych w latach 1955-56 r. powstały warunki uprawiania w Polsce fizyki jądrowej. Utworzono Instytut Badań Jądrowych w Świerku k. Warszawy i Instytut Fizyki Jądrowej w Krakowie. Prof. Żuk postanowił stworzyć w Lublinie trzeci ośrodek krajowy zajmujący się problemami fizyki jądrowej i jej zastosowań. Rozpoczęły się wyjazdy (najpierw szkoleniowe) za granicę; Prof. Żuk wyjechał do Instytutu Nobla w Sztokholmie i Uniwersytetu w Uppsali, M. Subotowicz do Manchesteru, B. Adamczyk do Amsterdamu. Na miejscu, w Lublinie, rozpoczęto budowę elektromagnetycznego separatora izotopów (D. Mączka, J. Pomorski), spektrometrów gamma do pomiaru korelacji kątowych promie-niowania (T. Goworek, Z. Skorzyński, J. Wawryszczuk) i spektrometru beta (M. Subotowicz, J. Kuranc, E. Krupa). Zespół separatora współpracował z IBJ w Świerku, m.in. separowano aktywne izotopy ksenonu uzyskane po naświetleniu w reaktorze.

Nawiązano też współpracę z nowoutworzonym Zjednoczonym Instytutem Badań Jądrowych w Dubnej (ZSRR); jako pierwszy pojechał tam w r. 1957 T. Goworek. Od roku 1962 stało się możliwe sprowadzanie z Dubnej frakcji neutronodeficytowych izotopów pierwiastków ziem rzadkich, o czasie życia dostatecznie długim, aby mogły być badane w Lublinie (średni czas życia rzędu kilku dni).

Z upływem czasu długożyjące nuklidy zostały dość dokładnie przebadane, żyjące krótko musiały być badane na miejscu produkcji, w Laboratorium Problemów Jądrowych ZIBJ. W wyniku porozumienia z ZIBJ ustalono, że Lublin dysponować będzie stale czterema miejscami pracy w Dubnej; te cztery miejsca były obsadzane przez doświadczalników, ale także i teoretyków.

W r. 1969 zbudowany został i przewieziony do Dubnej spektrometr do pomiaru korelacji kątowych gamma-gamma w układzie dwulicznikowym NaI(Tl) – Ge(Li).  Elektro-nika spektrometru została  zaprojektowana przez J. Wawryszczuka i zbudowana przez niego razem z J. Sarzyńskim. W tamtym czasie cała elektronika musiała być wykonana własnoręcznie, łącznie z wytrawianiem obwodów drukowanych (mówiło się wtedy "Firma Jany"). J. Wawryszczuk i J. Sarzyński rozpoczęli w Dubnej pomiary wspólnie z zespołem rosyjsko-uzbeckim. Izotopy pierwiastków grupy ziem rzadkich były produkowane na synchrocyklotronie 660 MeV w reakcji kruszenia jąder tantalu. Nuklidy ziem rzadkich o średnim czasie życia ponad 2-3 h były wydzielane z naświetlonej tarczy i rozdzielane chromatograficznie na frakcje poszczególnych pierwiastków, z kolei frakcje były rozse-parowywane według mas izotopów na separatorze elektromagnetycznym. W budowie separatora w Dubnej i w pracach przy separacji produktów reakcji brali udział D. Mączka i J. Pomorski, a następnie A. Latuszyński.

W roku 1970, po wydarzeniach Marca ‘68, ministerstwo zarządziło reorganizację uczelni, w miejsce katedr powstały instytuty, a w nich mniejszymi jednostkami były zakłady. Po tej reformie Katedra Fizyki Doświadczalnej została podzielona na trzy zakłady: Zakład Fizyki Jądrowej, Zakład Fizyki Ciała Stałego i Zakład Fizyki Stosowanej. W ten sposób niektórzy pracownicy, zajmujący się problemami jądrowymi, znaleźli się formalnie w Zakładzie Ciała Stałego (M. Budzyński, J. Sarzyński).

W połowie lat 70. zbudowana została znacznie udoskonalona wersja aparatury spektroskopowej w Dubnej (znów głównie własnym wysiłkiem, przy udziale M. Budzyńskiego (stąd nazwa „firma Wabusa”) i E. Krupy, pozwalająca na pomiary średnich czasów życia stanów wzbudzonych jąder. Aparatura pracowała w ramach programu JASNAPP-1 (Jadiernaja spektroskopija na puczkie protonow) poświęconego badaniom jąder krótkożyjących otrzymanych metodą tzw. „gorącego tantalu”. A. Latuszyński opracował metodę separacji izotopów z pominięciem etapu „mokrej” chemii. Naświetlona tarcza była umieszczana wprost w termoemisyjnym źródle jonów separatora rozdzielającego produkty kruszenia według mas atomowych. Dobierając czas naświetlania i warunki separacji można było uzyskać dominujący udział aktywności wybranego izobaru. Przesyłając tarczę do źródła pocztą pneumatyczną można było wyodrębnić nuklidy o czasach życia rzędu minuty. W ten sposób odkryto ok. 50 nowych izotopów pierwiastków ziem rzadkich, z tego 15 ze współudziałem A. Latuszyńskiego (analogiczna metoda była później stosowana w układzie ISOLDE w instytucie CERN w Genewie). Aparatura pomiarowa była przez cały czas użytkowania modernizowana.

Uzyskano wiele nowych danych eksperymentalnych, które interpretowano w ramach modeli opracowywanych w Oddziale Fizyki Teoretycznej ZIBJ w ścisłej współpracy z ich autorami (Sołowiow, Niestierenko, Paszkiewicz). Wyniki dotyczące jąder z obszaru A= 150-155, są, często jako jedyne, licznie cytowane. Były one też podstawą czterech prac doktorskich fizyków lubelskich (M. Budzyński, E. Krupa, W. Tańska-Krupa, J. Wawryszczuk) i trzech rozpraw kandydackich fizyków z uniwersytetu w Samarkandzie.

Naturalną kontynuacją badań korelacji kątowych w celu wyznaczania spinów i multipolowości przejść było rozszerzenie ich na korelacje zaburzone, najczęściej polem magnetycznym. Uzyskiwano stąd informacje na temat momentów magnetycznych jąder i pól wewnątrzatomowych. Badania takie, wykonane tzw. metodą całkową, rozpoczęte w Lublinie przez E. Krupę i W. Tańską-Krupową, zostały znacznie rozwinięte w Dubnej. Pracowano tam początkowo także metodą całkową, pierwszą próbę zastosowania metody różniczkowej podjął J. Wawryszczuk, po czym od r.1982 pomiary różniczkowe prowadził systematycznie M. Budzyński po kolejnej modyfikacji aparatury wspólnie z fizykami z Samarkandy. Uzyskane wyniki stały się podstawą przewodu habilitacyjnego M. Budzyńskiego.

Spektroskopia jądrowa uprawiana była w Dubnej, natomiast na miejscu, w Lublinie, zajmowano się raczej zastosowaniem metod jądrowych w innych dziedzinach naukowych. Klasyczna spektroskopia mas była stosowana tak w badaniach o charakterze geologicznym, jak i metodycznym. Dr Stanisław Hałas odbył dwuletni staż w Calgary u prof. Krausego; szczególnie bogata była współpraca z Instytutem Fizyki Atomowej i Molekularnej w Amsterdamie (dyrektor instytutu prof. Kistemaker został uhonorowany tytułem „dr honoris causa” UMCS).

Elektromagnetyczny separator był stosowany jako implantator domieszek do próbek półprzewodnikowych. Głębokość wprowadzania domieszek została znacznie zwiększona dzięki zakupieniu w r.1979 implantatora przyspieszającego jony do energii 0.3 MeV. Badano własności cienkich warstw domieszkowanych, analizowano rozkład głębokościowy wprowadzonych domieszek kilkoma metodami:

- wprowadzano domieszkę określonego pierwiastka w postaci izotopu promieniotwórczego, po czym wytrawiano etapami, aktywność próbki była miarą stężenia wprowadzonej domieszki,

- wprowadzano domieszkę nie promieniotwórczą, trawiono zaś przez bombardowanie wiązką jonów o dużej energii; wybite podczas trawienia jony wtórne były analizowane za pomocą spektrometru masowego wybierającego je według masy atomowej domieszki (metoda SIMS, Secondary Ion Emission Spectroscopy, spektrometr zbudował J. Sielanko) .

W r.1974 zespół pod kierunkiem T. Goworka rozpoczął prace nad wykorzystaniem zjawiska anihilacji pozytonów do badania właściwości ciał stałych, w szczególności kryształów organicznych. Zbudowana została aparatura do pomiaru rozkładów kątowych promieniowania anihilacji dwukwantowej, zaś w 1977 spektrometr czasu życia pozytonów (J. Wawryszczuk). Pierwsze prace (C. Rybka, T. Goworek) dotyczyły tworzenia pozytu (stanu związanego elektron-pozyton) na domieszkach. W kryształach organicznych, w których pozyt się nie tworzy, domieszka nawet rzędu 0,02 % molekuł o rozmiarach mniejszych od głów-nego składnika może prowadzić do powstawania mierzalnej ilości pozytu, przy czym jego czas życia i szerokość rozkładu pędów fotonów anihilacyjnych zależą od rozmiarów wolnej objętości w krysztale utworzonej obok obcej molekuły (ilościową zależność czas życia – promień wolnej objętości podał w 1982 M. Eldrup; tzw. model Tao-Eldrupa). Badano zależność natężenia i czasu życia pozytu od temperatury i po raz pierwszy wyznaczono energię tworzenia defektów na których lokuje się pozyt (C. Rybka, R. Węcławik, J. Wawryszczuk). We współpracy z Politechniką Lubelską prowadzono również badania o charakterze aplikacyjnym: zjawiska zmęczenia stali (W. Gustaw), utwardzanie warstwy powierzchniowej stali i stopów tytanu (K. Zaleski), twardnienie zaczynu cementowego (T. i C. Rybkowie). Badania zjawiska zmęczenia stali doprowadziły do wniosku, że koncentracja defektów ustala się już po kilku pierwszych cyklach obciążeń wibracyjnych (zniszczenie – po 10⁵ cykli). Podobne prace w literaturze ukazały się znacznie później, przy czym na ogół pomija się w nich istotny dla zjawiska zakres pierwszych cykli.

W r. 1981 zmarł nagle prof. Włodzimierz Żuk i kierownictwo Zakładu objął prof. Tomasz Goworek. Personel zakładu, łącznie z pracownikami technicznymi, liczył wówczas 28 osób. Zakład był więc jednostką bardzo dużą, w której uprawiano kilka odrębnych kierunków badawczych; stała się celowa reorganizacja jednostki, zwłaszcza, że szereg osób uzyskało status samodzielnych pracowników naukowych. W 1982 odbyły się kolokwia habilitacyjne D. Mączki i S. Hałasa (przewody rozpoczęto jeszcze za życia prof. Żuka), w 1986 M. Kisielewicza, w 1987 – J. Sielanki. Wydzielona została Pracownia  Spektrometrii Mas o profilu geologicznym pod kierunkiem prof. S. Hałasa. Dyrekcja Instytutu postanowiła przejąć z UJ mały cyklotron, instalacji podjęli się D. Mączka i A. Latuszyński. Wiązało się to z szeroko zakrojonymi pracami technicznymi (przebudowa samego cyklotronu, budowa aparatury pomiarowej do obserwacji rozpraszania rutherfordowskiego i analizy PIXE). W tej sytuacji w 1994 Zakład podzielono na dwa: Zakład Fizyki Jonów i Implantacji oraz Zakład Fizyki Jądrowej. Adaptacja cyklotronu i wykorzystanie go do rozszerzonych badań implantacyjnych znalazły się w gestii pierwszego z Zakładów (kierowanego przez doc. D. Mączkę). Próba zbudowania kompleksu cyklotron – implantator zakończyła się niepo-wodzeniem, cyklotron został przekazany do AGH w Krakowie.

W końcu lat 70  ośrodek warszawski przystąpił do budowy cyklotronu ciężkich jonów. Zaproponowano Zakładowi współpracę, w ten sposób włączył się on w program Środo-wiskowego Laboratorium Ciężkich Jonów. Jan Wawryszczuk zaprojektował wielolicznikowy spektrometr EEtθ do pomiaru widm koincydencyjnych dwuwymiarowych, czasów życia i korelacji kierunkowych. Zbudowany spektrometr miał liczniki z kryształami BaF₂,zawierałjuż komputer PC i pamięć na twardych dyskach. Ponieważ budowa cyklotronu utknęła na długi czas (uruchomiony został w 1993), w 1987 przewieziono spektrometr do Dubnej, gdzie dobiegała końca budowa kompleksu JASNAPP-2, w którym wiązka protonów wyprowadzona z synchrocyklotronu bombardowała tarczę umieszczoną bezpośrednio w źródle jonów separatora mas. Spektrometr lubelski ustawiono na jednym z jonowodów na wyjściu separatora. Prace wykonywane były wspólnie z zespołem spektrometru ELGA z udziałem fizyków krakowskich (A. Potempa, M. Janicki). W 1989 przeprowadzono trzy pierwsze eksperymenty, dotyczące poszukiwania przewidywanych przez teorię stanów izomerycznych ¹⁵⁵Tm i ¹⁵⁷Lu o półokresach zaniku przez rozpad α rzędu sekund. Oprogramowanie eksperymentu, począwszy od sterowania wiązką synchrocyklotronu, na zapisie i analizie widm kończąc, przygotował M. Lewandowski. Wyniki badania izomerów miały stanowić temat pracy doktorskiej M. Lewandowskiego, jednakże już po otwarciu przewodu zrezygnował on z pracy w UMCS. W tych badaniach Wawryszczuk i Lewandowski obserwowali m.in. widma alfa jądra ¹⁵⁵Lu o półokresie zaniku zaledwie 70 milisekund (stabilny izotop lutetu ma masę o 20 jednostek większą!). Oprócz widm alfa były badane widma promieniowania β⁺ w celu wyznaczenia mas jąder oddalonych od ścieżki stabilności, a także koincydencje γ-γ i α-γ dla poznania schematu poziomów tych jąder. W początkowej fazie pracy kompleksu JASNAPP-2 większość wyników, które zostały opublikowane, uzyskano na aparaturze lubelskiej. Po zmianie ustroju politycznego program JASNAPP-2 nie został przez Polskę zaliczony do priorytetowych i przestał być finansowany. W tej sytuacji większość aparatury wróciła do Lublina; w Dubnej pozostały jedynie mechaniczne układy automatyki i elementy ich sterowania.

Spektroskopią jądrową sensu stricto, tj. ustalaniem struktury i własności poziomów energetycznych jąder, zajmował się głównie J. Wawryszczuk. Tematem aktualnym w owym czasie była struktura jąder o nowozaobserwowanej kwazi-magicznej liczbie protonów, Z=64 (jądro izotopu gadolinu ¹⁴⁶Gd jest więc podwójnie magiczne; Z=64, N=82). Badania dotyczyły głównie niskospinowych stanów jednocząstkowych jąder ¹⁴⁷Gd i ¹⁴⁷Tb o podwójnie magicznym rdzeniu ¹⁴⁶Gd. Te wyniki i uzyskane dane o strukturze należą do najobszerniejszych i najdokładniejszych w literaturze; wiele informacji uzyskano na podstawie analizy teoretycznej wyników, przeprowadzonej wspólnie z fizykami Oddziału Fizyki Teoretycznej ZIBJ. Badania dotyczyły także cięższych izotopów Gd i Tb. Prace te stanowiły podstawę rozprawy habilitacyjnej J. Wawryszczuka; z przyczyn niezależnych do kolokwium habilitacyjnego nie doszło.

W r. 1986, po katastrofie w Czernobylu, badano skażenia terenu w regionie lubelskim, zdejmując widma gamma za pomocą detektora GeHP o wysokiej rozdzielczości. Skażenia miały postać małych ziaren przyniesionych wiatrem (odległość Czernobyl – Lublin wynosi ok. 550 km). Zaobserwowano dwa rodzaje ziaren: cząstki paliwa jądrowego, w których b. dobrze widoczne były m.in. linie rentgenowskie plutonu i ziarna zawierające tylko izotopy rutenu (charakterystyczne dla awarii układu chłodzenia, nie występujące w skażeniach po wybuchach jądrowych)[1].

W latach 90. pozostający w Lublinie zespół anihilacyjny wykonał szereg prac metodycznych, dotyczących samej metody anihilacji pozytonów. W związku z wprowadzeniem scyntylatorów BaF₂, zawierających atom o dużym Z,zwrócono uwagę na możliwość zniekształceń widma czasów życia wskutek rozproszenia zwrotnego kwantów (W. Górniak)[2]. Wyjaśniono też, że rzekome niepoissonowskie rozkłady statystyczne impulsów pochodzą od niedoskonałości aparatury, a mianowicie niejednakowej szerokości kanałów parzystych i nieparzystych w większości analizatorów amplitudy (W. Górniak, B. Jasińska). Model Tao-Eldrupa, opisujący zależność czasu życia pozytu od promienia objętości wolnej (kulistej) został rozszerzony na przypadek prostopadłościanu[3], co umożliwiło m.in. zastosowanie go do struktur zawierających wolne kanały (B. Jasińska). Zaproponowana geometria prostokątna, znacznie upraszczająca rachunki, została wkrótce wykorzystana przez zespół D. Gidleya z Ann Arbor w pozytonowych badaniach cienkich warstw. Wcześniej, w r. 1997, T. Goworek zaproponował rozszerzenie modelu Tao-Eldrupa na zakres materiałów porowatych przez uwzględnienie anihilacji pozytu ze stanów wzbudzonych w studni potencjału; powstała w ten sposób porozymetria pozytonowa (R. Zaleski) pozwalająca oszacować rozmiary mikroporów i mezoporów, również zamkniętych i w dowolnych temperaturach (w klasycznej porozymetrii obserwuje się   tylko pory otwarte, najczęściej w jednej temperaturze, np. ciekłego azotu, lub argonu).

W r.200x zakupiony został kompresor gazowy U-11 umożliwiający badania próbek pod ciśnieniem do 500 MPa, zarówno bez dostępu gazu do próbek, jak i z jego przenikaniem do badanego ośrodka.

Po przejściu prof. T. Goworka na emeryturę w r. 2004 Zakład Fizyki Jądrowej został połączony z Pracownią Oddziaływań Nadsubtelnych i przemianowany na Zakład Metod Jądrowych, kierowany przez prof. M. Budzyńskiego.

W nowym zakładzie badania anihilacyjne dotyczyły wykorzystania pozytonu jako próbnika przejść fazowych w kryształach organicznych, w tym również frustracji przechłodzonego alkoholu (B. Zgardzińska), tworzenia pozytu na spułapkowanych elektronach nadmiarowych wytworzonych przez jonizację pozytonami, efektu „premelting” w lodzie (topnienie w obszarze „blobu” na końcu toru hamowanego pozytonu). Testowano też tzw. model pęcherzykowy, opisujący pozyt w ośrodkach ciekłych, prostując błąd w znaku poprawki do napięcia powierzchniowego we wcześniejszych pracach innych autorów i wyznaczając tzw. długość Tolmana w alkanach i alkoholach (B. Zgardzińska). W przypadku układów alkan-argon pod wysokim ciśnieniem wykazano, że zmiana napięcia powierzchniowego wraz z ciśnieniem powodowana jest głownie przez monowarstwę argonu tworzącą się na powierzchni cieczy, a nie przez gaz rozpuszczony (B. Zgardzińska).