Z alecon o do b ib lio tek n a u c z y c ie lsk ic h i lic e a ln y c h p ism em M inistra O św ia ty nr IV /O c-2734/47
W ydano z pom ocą fin a n so w ą P o lsk ie j A k a d em ii N auk
TR ESC Z E SZ Y T U 5 (2329)
A. B i a ł a s , N atu ra b oi się p r ó ż n i ...89 M. R o m e k , S k a n in g o w y m ik ro sk o p tu n e lo w y i jeg o za sto so w a n ie w b io lo g ii 91 J. M e r g e n t a l e r , P ro tu b era n cja S ło ń ca i g w ia z d ...95 A. U c h m a n, G rzyb y sk a ln e w górach B u c e g i ( R u m u n i a ) ... 97 N. F . P r u s a k o w a, A. W. S z p i l e w s k i , T ad eu sz B a n a ch iew icz
i „ W szech św iat” w la ta ch 1905— 1914 (tłum . J. M. K r e i n e r ) ...99 W. M i z e r s k i , S u ro w ce m in e r a ln e O ceanu Ś w ia to w e g o . I. W oda ocean iczn a —
źródło su r o w c ó w m i n e r a l n y c h ...102 Z zagad n ień k o sm o lo g ii w sp ó łc z e sn e j
Z ałożen ia k o sm o lo g ii (S. A. W r o n a ) ...105 D rob iazgi
„C zynnik V ” (T. P i e t r u c h a ) ... 106 N ieco d zie n n e m iejsce h ib ern a cji sa la m a n d ry p la m istej (T. Z w ijacz-K ozica) 107 O b serw acja w ie sz c z k a w T a trza ń sk im P a rk u N a ro d o w y m (T. Z w ija cz- -K ozica) ... 107 W szech św ia t przed 100 la ty (oprać. J G V ) ... 108 R o z m a i t o ś c i ...109 R ecen zje
H. G. C o g g e r : R ep tiles and A m p h ib ia n s o f A u str a lia (J. B łażu k ) . .
111J. K u f e l , K. L e o n o w i c z - B a b i a k : W yb ran e za g a d n ien ia z ek ologii (B. P r ę d o t a ) ... 112 S. Z w o l i ń s k i : W p od ziem iach ta tr z a ń sk ic h (A. R o s l e r ) ... 112 R. H o f e r : G U K om p ass F ró sch e und a n d ere A m p h ib ien (A. Ż yłka) . 113 K ronika
P rzy ro d n icze ob ozy stu d e n tó w U n iw e r sy te tu M. K op ern ik a w T oruniu w 1989 r. (T. P a w lik o w sk i, K. W o ł k ) ... 113
S p i s p l a n s z
I. Z D JĘ C IA W Y BU C H O W EJ P R O T U B E R A N C JI (do art. J. M ergen talera) II. G N IA Z D O b o cia n a białego. F ot. Z. J. Z ieliń sk i
III. G RY W IO SE N N E a. Fot. W. S tro jn y , b. F ot. Sz. P o ra d o w sk i IV. K R Y S Z T A Ł Y O R T O F O SF O R A N U . Fot. Z. J. Z ieliń sk i
O k ł a d k a : M ŁO D Y Z A JĄ C ZEK . F ot. W. P u c h a lsk i
PISMO POLSKIEGO TOWARZYSTWA PRZYRODNIKÓW IM. KOPERNIKA
TOM 92 MAJ 1991 ZESZYT 5
ROK (110) (
2 3 2 9)
A N D R Z E J B IA Ł A S (K raków)
NATURA BOI SIĘ PRÓŻNI*
A rtykuł ten mówi o próżni — czyli po pros
tu o niczym. Stwierdzenie to może wydać się Szanownym Czytelnikom nie bardzo poważne
— niemniej jest ono zupełnie praw dziw e i cał
kiem precyzyjnie definiuje tem at naszych roz
ważań. Próżnia jest to bowiem takie miejsce, w którym nie ma nic — dokładnie nic! Można by co najw yżej wyrazić zdziwienie, że fizycy tracą czas na deliberacje o niczym, ale po pierwsze, każdy w końcu przyzna, że nie są oni w tym zajęciu osamotnieni, a po drugie mam nieskrom ną nadzieję przekonać Państw a, że są po tem u pewne (dla nas ważne) powody.
Pytanie „czy w przyrodzie może istnieć próż
nia?” zostało postawione i przedyskutow ane (jak większość ważnych problemów, z którym i borykam y się do dziś) już w starożytności.
Wynikło ono przede wszystkim z zasadniczego sporu pomiędzy zwolennikami atomistycznej i ciągłej budowy m aterii. Łatwo to zrozumieć.
Jeżeli bowiem m ateria składa się z atomów, to pomiędzy atomami nie m a nic, czyli jest próż
nia. Natomiast, jeżeli m ateria ma budowę cią
głą, to jest ona wszędzie, a więc próżnia nie istnieje.
' T e k st w y k ła d u p rzed sta w io n eg o w c z a sie in a u g u r a cji 620 roku a k a d em ic k ieg o na U n iw e r sy te c ie J a g ie llo ń sk im w dniu l.X,1983 r.
Najbardziej konsekwentne podsumowanie tej dyskusji znajdujem y (oczywiście) u A rystote
lesa, który — jako zdecydowany przeciwnik hipotezy atomistycznej — przedłożył szereg ar
gumentów przeciwko istnieniu próżni. Ze względu na ograniczoną objętość przytoczę tu tylko jeden argum ent A rystotelesa — argu
m ent o niemożności ruchu. Zauważył on miano
wicie niesłychanie ważny fakt, że próżnia — jako przestrzeń, w której nie ma nic — jest idealnie sym etryczna względem wszystkich mo
żliwych param etrów , którym i chcielibyśmy ją opisać. W szczególności, w próżni żaden k ieru nek nie może być w jakikolwiek sposób wyróż
niony. Wynika stąd, że dowolne ciało znajdu
jące się w spoczynku, a otoczone próżnią nie może wejść w stan ruchu, ponieważ ruch m u
si się odbywać w jakimś kierunku, a więc ła
mie tę zasadę idealnej sym etrii. Mówiąc obra
zowo, mamy sytuację jak w znanej bajce: osioł um iera z głodu, ponieważ nie może zdecydo
wać się, od którego żłobu zacząć.
Nie mogę tu taj wchodzić w dokładniejszą analizę tego argum entu i jego słuszności, pragnę jednak podkreślić jeszcze raz prostą, ale nie
zwykle głęboką obserwację wielkiego myślicie
la starożytności: przestrzeń idealnie pusta czy
li próżnia jest idealnie sym etryczna względem
wszystkich możliwych param etrów .
90
W s z e c h ś w i a t , t. 92, n r 5/1991A rystotelesow ska teza o nieistnieniu próżni została rozw inięta i spopularyzow ana w w ie
kach średnich, które również przyniosły sław ne sform ułow anie o tym , że „ n atu ra boi się próżni”. Nie jest zupełnie pewne, kto sform u
łował tę zasadę, w każdym razie jest ona już powszechnie akceptow ana w pism ach uczonych scholastyków X III wieku.
Pow stanie nowoczesnej fizyki zdecydowanie odwróciło poglądy na ten tem at. P race Torri- cellego, Galileusza, a przede wszystkim N ew to
na śmiało posługiw ały się pojęciem próżni, któ
ra stała się niezbędnym elem entem opisu fizy
cznego św iata (w ystarczy wspomnieć słynne praw o Galileusza mówiące, że „w próżni wszystkie ciała spadają z tą samą prędkością”).
S ytuacja ta utrzym ała się bez istotnych zmian aż do czasów najnowszych, jeżeli nie liczyć krótkiego epizodu na przełom ie X IX i XX w ie
ku, kiedy to pow stała i zgasła hipoteza eteru.
W dodatku, wraz z utrw aleniem się w naszym stuleciu atomistycznego poglądu na stru k tu rę m aterii, rola próżni wzrosła jeszcze bardziej:
próżnia je st rów nie potrzebna atomistom współczesnym, jak była potrzebna D emokry- towi z A bdery 25 wieków temu. P ro sta ilu stra
cja: np. w wodzie m ateria zajm uje objętość bi
lion milionów razy m niejszą niż objętość wody
— reszta to próżnia! Tak więc pojęcie próżni zostało zaakceptowane przez naukę, a także przez technikę, k tó ra — jak wszyscy wiem y — w ykorzystuje próżnię w wielu zastosowaniach.
W te j sytuacji sform ułow anie zaw arte w ty tule tego w ykładu przestało oddawać jakąkol
w iek treść fizyczną i zostało relegow ane do słownika sloganów politycznych. P roblem w y
dawał się więc definityw nie rozstrzygnięty, i nie zajm ow ałbym P ań stw u czasu gdyby nie to, że od kilkunastu la t jest on na nowo podejm o
w any i wiele w skazuje na to, że sytuacja nie jest taka prosta.
Zacznijmy od tego, że w ciągu ostatnich lat fizyka odniosła oszałamiające sukcesy w poszu
kiw aniu i identyfikacji elem entów budowy św iata m aterialnego. Bo proszę tylko pomyśleć:
wiem y już w tej chwili, że w szystkie otaczają
ce nas obiekty m aterialne są po pro stu skom pli
kow anym i konstrukcjam i zbudow anym i z kil
ku zaledwie rodzajów cząstek elem entarnych.
Musimy się chyba zgodzić, że zredukow anie nieskończonej różnorodności św iata do kilku elem entów jest nie byle jakim osiągnięciem.
Ponadto, wszystkie znane nam siły w ystęp u ją
ce w przyrodzie można zredukow ać do trzech sił (oddziaływań) elem entarnych. I znowu, je
żeli pom yślim y o różnorodności sił obserwo
w anych w codziennym życiu (nie mówiąc już o zjawiskach obserw owanych w laboratoriach) musim y przyznać, że sprow adzenie ich do trzech zaledwie różnych oddziaływ ań zakraw a niem al na cud. Ale historia na tym się nie koń
czy. Fizycy potrafili rów nież znaleźć rów nania, które opisują zachowanie się tych sił i cząstek elem entarnych. I wreszcie spraw a n ajw ażniej
sza: okazało się, że wszystkie te rów nania dają się wyprowadzić z jednej ogólnej zasady, która
jest zasadą sym etrii: rów nania opisujące nasz św iat są idealnie sym etryczne względem pew
nych prostych transform acji.
Ze względu na doniosłość tego odkrycia chciałbym zilustrow ać P aństw u owe podstawo
we sym etrie, na których opiera się nasz świat.
Nie mogę niestety przedstaw ić żadnych szcze
gółów, ale mimo to m am nadzieję, że zrozu
miecie Państw o o co chodzi. Wszystkie te za
sadnicze sym etrie należą do klasy tzw. syme
trii u n itarnych (nazwę wym yślili m atem atycy) i polegają na całkow itej równoważności pew nej ilości elementów. Je st więc sym etria u n itarn a trójw ym iarow a, któ ra rządzi siłami jądrowymi i którą można zilustrować tró jk ątem rów no
bocznym. Jest sym etria u n itarn a dw uw ym iaro
wa, która rządzi tzw. siłami elektrosłabym i i którą można zilustrować symbolem V. Istnie
nia tych sym etrii jesteśm y zupełnie pewni. Fi
zycy badają w tej chwili intensyw nie możli
wość sym etrii u n itarn ej pięciowymiarowej, któ
rą można (niezbyt precyzyjnie) zilustrować np. symbolem pięcioram iennej gwiazdy. Nie jestem jednak pewien, czy wśród czytelników znajduje się w ystarczająca liczba kibiców k ra
kowskiej Wisły, aby w arto było o tym mówić...
Tak więc współczesna fizyka ustaliła ponad w szelką wątpliwość, że praw a rządzące oddzia
ływ aniem cząstek elem entarnych, a więc praw a rządzące św iatem są oparte na idealnej sy
m etrii. Zatem zasada doskonałej sym etrii, lub
— jeśli ktoś woli — zasada doskonałego po
rządku — leży u podstaw naszej rzeczywistości m aterialnej.
To wielkie i fascynujące odkrycie — naw ią
zujące jakby do starożytnych idei platońskich
— staw ia jednak przed nam i nowy, niepoko
jący problem : jak to się dzieje, że piękne, ide
alnie sym etryczne rów nania opisują świat, któ
ry może jest piękny, ale na pewno nie jest ide
alnie sym etryczny. Bo — nie m am y się co oszu
kiwać — obserwowane przez nas zjawiska rzadko kiedy w ykazują idealną sym etrię (w ogóle, jak wiadomo, ideałów na tym świecie nie ma!), a przew aża niew ątpliw ie w rażenie niezrozumiałego chaosu. W tym , co teraz po
wiedziałem, jest oczywiście trochę demagogii, ale proszę się nie niepokoić: precyzyjne pom ia
ry w laboratoriach również wykazują, że pods
taw ow a sym etria rządząca św iatem cząstek ele
m entarnych byw a w wielu sytuacjach łamana.
Fizycy stanęli więc wobec zasadniczego za
gadnienia: w jaki sposób idealnie sym etryczna teoria może być zastosowana w świecie, który tej sym etrii nie akceptuje. I tu proszę o chwilę uwagi, ponieważ dochodzimy do podstawowego p u n k tu naszych rozważań. Otóż jest tylko jed
no w yjście z tego dylem atu: sym etria praw fi
zyki rządzących cząstkam i elem entarnym i może być złam ana jedynie przez przestrzeń, w któ
re j praw a te działają, tzn. przez przestrzeń, w k tó rej „zanurzony” jest nasz świat. Innym i sło
wy — sama przestrzeń, w której istniejem y, musi być niesym etryczna. Jest to proste stw ier
dzenie, ale było bardzo tru dn e do sform ułow a
nia, bo przecież już od czasu A rystotelesa wie
my, że pusta przestrzeń, czyli próżnia, jest ide
alnie sym etryczna względem wszystkich mo
żliwych param etrów . Skąd więc może się tam wziąć asym etria? Odpowiedź jest znowu tylko jedna: widocznie przestrzeń, w której działają praw a fizyki nie jest pusta, a więc prawdziwa próżnia nie istnieje. W racamy do początków:
natura istotnie boi się próżni.
Pozwólcie Państw o, że jeszcze raz podsum u
ję krótko ten (niestety) dość skomplikowany wywód: współczesna fizyka mówi nam, że na
tu ra odrzuca idealną sym etrię praw przyrody i wobec tego odrzuca próżnię.
Rzecz jasna, dla fizyka nie jest to koniec, lecz raczej początek zagadnienia. Bo teraz mo
żna zadać następne — niezwykle ważne p y ta nie: jaki jest powód tego, że przestrzeń samo
rzutnie w ypełnia się m aterią. Inaczej: jaki jest powód strachu przed próżnią?
Znamy obecnie odpowiedź i na to pytanie.
Otóż udało się udowodnić, że dokładnie pusta przestrzeń (tzn. praw dziw a próżnia) ma wyż
szą energię niż pozornie pusta przestrzeń, w której żyjemy. A wiemy przecież, że każdy układ fizyczny usiłuje osiągnąć stan możliwie najniższej energii. Mówiąc popularnym obec
nie językiem — usiłuje osiągnąć dno, podobnie jak kulka, która upuszczona spada na podłogę i zatrzym uje się w najniższym miejscu — znaj
duje swoje dno (to nie znaczy, że po osiągnię
ciu dna nie można spaść na jeszcze niższe dno
— np. można kulkę wyrzucić przez okno — spadnie jeszcze niżej). Jeśli zatem prawdziwa próżnia ma wyższą energię niż pozorna próż
nia, w której istniejem y, to znaczy, że ta po
zorna próżnia jest dnem, na które świat m u
siał spaść. Fizyk powie, że prawdziwa, sym e
tryczna próżnia jest niestabilna i musi zamienić się na asym etryczną próżnię pozorną, którą ob
serw ujem y obecnie.
Wykład zbliża się do końca. Nie chciałbym jednak zostawiać wrażenia, że problem jest już
W s ze c h ś w ia t, t. 92, n r i/1991
zamknięty i zupełnie rozwiązany. Wręcz prze
ciwnie, znajduje się on w centrum dyskusji i wiele ważnych pytań pozostaje ciągle bez od
powiedzi. Nie znamy np. tak zasadniczych rze
czy jak szczegółowy mechanizm znikania ideal
nej próżni, oraz jaka jest n atu ra naszej próżni pozornej. Ale wiemy chyba rzecz najw ażniej
szą, którą jeszcze raz powtórzę: według współ
czesnej fizyki stru k tu ra świata oparta jest na sprzeczności pomiędzy idealnie sym etrycznym i praw am i przyrody a naturą, która tej sym etrii nie respektuje.
Gdybyście mnie jednak Państw o zapytali o mój osobisty stosunek do tej sytuacji, to m u
siałbym odpowiedzieć, że nie jestem zachwyco
ny. Trudno bowiem zachwycać się poglądem, że żyjemy w świecie rządzonym przez teore
tycznie wyimaginowane praw a (choćby były idealnie piękne), które na tyle nie przystają do rzeczywistości, że musi ona torować sobie drogę przez niejako sam orzutne ich łamanie (fizycy mówią — spontaniczne łam anie syme
trii). Sytuacja ta wydaje mi się bardzo sztucz
na, chociaż trudno wykluczyć, że jesteśm y na nią skazani, bo może istotnie w ten sposób zbudowany jest nasz świat. Ale jest i inna możliwość, mianowicie, że fizyka nie powie
działa jeszcze ostatniego słowa i że po dalszych badaniach znajdziemy — na głębszym poziomie
— opis świata, w którym praw a n atu ry będą harmonizowały z rzeczywistością, a nasze dzi
siejsze sprzeczności odejdą do historii. Niewy
kluczone więc, że kiedyś jeden z moich młod
szych kolegów będzie mógł zamieścić we
„Wszechświecie” artykuł o próżni pod tytułem
„wiele hałasu o nic”.
W p ł y n ę ł o 5 IV 1991
91
Prof. dr hab. A n d rzej B ia ła s p ra cu je w In sty tu c ie F iz y k i U J
M A REK ROM EK (K raków )
SKANINGOWY MIKROSKOP TUNELOWY I JEGO ZASTOSOWANIE W BIOLOGII
B ogata historia ro zw o ju m ik ro sk o p ii dow odzi, że p ostęp y w tej d zied zin ie za w sze sty m u lo w a ły re w o lu cy jn e zm ian y w b io lo g ii i w m ed y cy n ie. N ie w ie lk a zdolność rozdzielcza n ieu zb rojon ego oka (ok. 0,1 mm ) przez d łu g ie w ie k i u n ie m o ż liw ia ła o b se r w a c je m ik ro - św iata p o jed y n czy ch k om órek . D opiero po zb u d ow a
niu p ierw szeg o m ik rosk op u op ty czn eg o w 1590 r. przez v an J a n sen a sta ło się to m o żliw e. J eg o d a lsze u d os
k o n a la n ie d op row ad ziło do g w a łto w n e g o rozw oju w ie lu dzied zin nauki, np. m ik ro b io lo g ii i cy tologii, p o w
stan ia teo rii kom órk ow ej b u d ow y ro ślin i zw ierząt oraz p rzełom ow ych prac P a steu ra i F lem in g a . Z bu
d ow an ie przez E. R u sk ę i M. K n o lla w 1930 r. m i
kroskopu elek tro n o w eg o (ob ecn ie o zd o ln o ści rozd ziel
czej do 2A; l A = 1 0 - 10m — jedna d ziesięcio m ilia rd o w a
część m etra) oraz o p racow an ie sp ecja ln y ch m etod
p rzygotow an ia m a teria łó w b io lo g iczn y ch do o b serw a
cji w ty m m ik rosk op ie p rzyczyn iło się do p ozn an ia
u ltrastru k tu ry k om órek i w iru só w . N agrod a N ob la z
1986 r. d la R u sk i b y ła p otw ierd zen iem roli, jaką m i
92
W s z e c h ś w i a t , t. 92, n r 5/1991krosk op e le k tr o n o w y o d eg ra ł w rozw oju b io lo g ii oraz w ie lu in n y c h d zied zin n a u k i. D ru gą część n a grod y p rzyznano N ie m o o w i G. B in n ig o w i i S z w a jc a r o w i H.
R o h rero w i za z b u d o w a n ie sk a n in g o w e g o m ik rosk op u tu n e lo w e g o — SM T.
SM T u m o ż liw ia u zy sk a n ie 3 -w y m ia r o w y c h obrazów p o w ierzch n i z ro zd zielczo ścią p io n o w ą rzęd u 0 ,lA i poziom ą ok. 1A. J e st w ię c ona śred n io o jed en rząd w ie lk o ś c i le p sz a od zd o ln o ści rozdzielczej k o n w e n c jo n a ln e g o m ik ro sk o p u e lek tro n o w eg o . SM T p o zw a la z a tem n a o b se r w a c je stru k tu ry b io m o lek u ł n a p o zio m ie a to m o w y m . U z y sk a n ie ta k n ie z w y k ły c h e fe k tó w w p o ró w n a n iu z in n y m i m ik ro sk o p a m i n ie w y m a g a p rzy g o to w a n ia u ltra o ien k ich sk ra w k ó w , k o n tra sto w a n ia an i sp e c ja ln y c h w a r u n k ó w p racy m ik rosk op u (np. w y sok iej próżni). SM T je s t n o w y m , m ilo w y m k r o k ie m m ik ro sk o p ii i n a leży przyp u szczać, że w n ie d łu g im c z a sie p rzyczyn i się do g w a łto w n e g o ro zw o ju b io lo g ii m o lek u la rn ej.
Z asada d zia ła n ia SM T p od ob n a jest do sp osob u od bioru ob razu św ia ta zew n ętrzn eg o p rzez n ie w id o m e go. T ak i c z ło w ie k id ą c u licą m o że w y c z u w a ć n ie r ó w n ości drogi d zięk i tem u , że jeg o m ózg p rzetw a rza poziom e i p io n o w e zm ia n y p o ło żen ia la sk i. O k re
ślić m oże ta k że k sz ta łt i w ie lk o ść k o ste k b ru k o w y ch , b y le b y ty lk o m ia ły one w ię k sz e ro zm ia ry od ś r ed n icy la s k i (detektora). W SM T n a to m ia st ro lę d etek to ra p e łn i o strze o śred n icy paru A , co u m o ż li
w ia b a d a n ie to p o g ra fii z a to m o w ą ro zd zielczo ścią , a z m y sł d o ty k u i słu ch u za stą p io n y z o sta ł e fe k te m tu n e lo w y m .
R yc. 1. Z a ch o w a n ie e le k tr o n ó w w u k ła d z ie b ariery p oten cjału p o ja w ia ją cej się n a g ra n icy p r z e w o d n ik a i próżni, a) U k ła d p ro sto k ą tn ej b ariery p o te n c ja łu dobrze p rzy b liża r z eczy w istą b a rierę p r zew o d n ik -p ró ż- n ia. W — p raca w y jśc ia , V — w y so k o ść i 2a — szero k ość b a riery p o ten cja łu , Et — en erg ia F erm iego, b) F u n k cja g ę sto śc i p ra w d o p o d o b ień stw a
q(er) d la e le k tr o n ó w o en e r g ii c a łk o w itej Eel < V w u k ład zie
p rzed sta w io n y m n a ryc. l a
EFEKT TUNELOW Y
Z asad a d zia ła n ia SM T op arta jest n a k w a n to w y m z ja w is k u tu n e lo w a n ia e lek tro n ó w p rzez próżnię w y stęp u ją cą m ięd zy d w o m a p rzew od n ik am i. P osłu gu jąc się ty lk o zasad am i m ech a n ik i k la sy czn ej trudno zro zu m ieć i w y tłu m a c z y ć isto tę teg o efek tu . K ażdy p rze
w o d n ik p o sia d a p ew n ą ilo ść sw o b o d n y ch elek tro n ó w p r z e w o d n ic tw a p o ru sza ją cy ch się p o m ięd zy d o d a tn i
m i jon am i ato m o w y m i. E lek tro n y te zajm u ją d y sk r e tn e p o zio m y e n e r g e ty c z n e (czyli m ogą p osiadać ty lk o ś c iśle o k reślo n e en ergie) do en ergii zw an ej en erg ią F erm ieg o (Et), (ryc. la ). N a g ra n icy p rzew od n ik a i pró
żni, d zięk i o d d zia ły w a n iu w y stę p u ją c e m u m iędzy e le k tro n a m i i jonam i, p o ja w ia się bariera p o ten cja łu o w y s o k o ś c i o k reślo n ej n a p ię c ie m V. Z godnie z zasadam i m e c h a n ik i k la sy czn ej, gd y en erg ia ca łk o w ita e le k tr o nu (Eel)je st m n iejsza od w y so k o śc i b a riery p o ten cja łu (Eel<V), to w s z y stk ie e le k tr o n y zostan ą od tej b a rier y od b ite. J ed n a k w p o p ra w n y m , k w a n to w y m p o
d ejściu do teg o zagad n ien ia, z u w a g i na dualny, k o r- p u sk u la r n o -fa lo w y ch arak ter m a terii za ch o w a n ie się e le k tr o n ó w w u k ła d zie p r zew o d n ik -p ró żn ia -p rzew o d - nik (ryc. la ) o p is y w a n e jest przy p om ocy fu n k cji f a lo w y c h , k tó re są r o zw ią za n ia m i ró w n a n ia S ch rod in - gera. Z atem a m p litu d a ta k ie j fa li elek tro n o w ej je s t g ę sto śc ią p ra w d o p o d o b ień stw a zn a lezien ia elek tro n u w p e w n y m e le m e n c ie p rzestrzen i. G ęstość ta dla e le k tr o n ó w o e n e r g ii m n iejszej od w y so k o śc i bariery p o
ten cja łu (Eel(V ) n ie zn ik a poza b arierą, ale m a leje w y k ła d n ic z o do zera na o d cin k u o d łu g o ści k ilk u A (ryc. Ib). P ra w d o p o d o b ień stw o tu n elo w a n ia cz y li p rze
jścia elek tro n u p rzez b a rierę p o ten cja łu zależy od szero k o ści (2a) i w y so k o śc i (V) b ariery oraz en erg ii e le k tr o n ó w p rzew o d n ictw a Eel, a zależność tę p r z e d sta w ić m ożn a w zorem : (1) T «^exp{—2a./h)V 2m(V—E el)}, g d zie m to m asa elek tro n u , a K = h!2n (h jest sta łą P lan ck a), J e ś li z a te m zb liży m y do sieb ie dw a p r z e w o d n ik i na b ardzo m ałą o d leg ło ść s k ilk u A, to n a s tą p i n a k ła d a n ie s ię e le k tro n o w y ch fu n k c ji fa lo w y c h (ryc. 2). B y m ó g ł teraz n a stą p ić p rzep ły w e lek tro n ó w m ięd zy d w om a p rzew o d n ik a m i, czyli prądu tu n e lo w e g o p rzez p ró żn ię n a leży p rzyłożyć o d p ow ied n ie n a p ię c ie U T (do 2V) m ięd zy ty m i p rzew o d n ik a m i (e le k trodam i), d zięk i czem u e le k tr o n y po p rzejściu przez b arierę ob sad zają n ieza p ełn io n e poziom y p rzew o d n ic
tw a d ru giej ele k tr o d y p o n iżej zm o d y fik o w a n ej en e r g ii F erm ieg o (ryc. 3). N a tę ż e n ie prądu tu n elo w eg o (JT) b ęd zie za leża ło od n a p ięcia tu n elo w eg o (UT), sz e r o -
R yc. 2. N a k ła d a n ie się fu n k c ji gęsto ści p raw dopodo
b ie ń s tw a £>(a:)i i e ( x ) 2 w u k ła d zie p rzew o d n ik (l)-p r ó ż - n ia -p r z e w o d n ik (2). P ole za k reślo n e je s t obszarem n a k ła d a n ia się fu n k c ji g ęsto ści. Od jego w ie lk o ś c i za leży
p ra w d o p o d o b ień stw o tu n e lo w a n ia elek tro n ó w
W s ze c h ś w i a t , t. 92, n r 5/1991
k ości p rzerw y s i p racy w y jśc ia W zd efin io w a n ej jako różnica m ięd zy w y so k o ścią b a riery a en erg ią F erm ie
go (W = V— Et).
(2) J T^ ( U T/s) ex p (— A s y W ) , gd zie A ^ l.0 2 5 l/(A*eV) d la p rzerw y p różniow ej.
Z A SA D A D Z IA Ł A N IA SMT
Z ależność prądu tu n e lo w e g o J T od szerok ości p rzer
w y s m ięd zy p rzew o d n ik a m i jest p o d sta w ą działania SM T. J x zm ien ia się o jed en rząd w ie lk o ś c i przy zm ian ie s o 1A d la ty p o w y c h w a rto ści W rzędu k ilk u eV. S ch em a t b u d ow y p ok azan y jest na ryc. 4a.
M eta lo w e o strze o bardzo m a ły m p rom ien iu k r z y w iz n y u m ocow an e do trzech p ie z o k r y sz ta łó w X , Y, Z sk an u je p o w ierzch n ie prób k i w zd łu ż o s i x i y d zięk i od p ow ied n im n a p ięcio m (U x, U y) p rzyłożon ym do p ie zok ryształów X , Y, k tó re zm ien ia ją s w o je rozm iary o k ilk a nm p rzy zm ian ie n a p ięcia o IV . G dy ostrze n apotyka n ieró w n o ść p o w ierzch n i (np. m on oatom ow y stopień), w ó w c z a s prąd tu n e lo w y J T rośnie. U k ład sp rzężen ia zw ro tn eg o zm ien ia n a p ięcie Ł z przyłożone do p iezom an ip u latora Z tak, b y o d leg ło ść s pozostała stała, a zatem b y prąd tu n e lo w y też n ie zm ien iał się.
Z atem n ap ięcie U 2 w czasie zm ia n y p o ło żen ia ostrza w k ieru n k u x i y od w zo ro w u je p rzestrzen n y roz
k ład g ę sto śc i ele k tr o n o w e j n a p o w ierzch n i próbki.
C zęsto rozkład te n (z w y ją tk ie m sy tu a c ji, gd y istn ieją p ew n e sp ecyficzn e, elek tro n o w e sta n y p o w ierzch n io w e) od p ow iad a p rzestrzen n em u r o zk ła d o w i a tom ów na badanej p ow ierzch n i. P o k o m p u tero w ej a n a lizie n ap ięcia XJZ w zależn ości od p o ło żen ia ostrza (czyli od n ap ięcia U x, U y ) tw orzon a jest 3 -w y m ia ro w a m apa p o w ierzch n i próbki. U trzy m a n ie J r = co n st z 2% d o k ład n ością g w a ra n tu je n iezm ien n o ść p rzerw y s z d o k ład n ością do O.OlA (śred n ica n ajm n iejszeg o atom u
— w od oru w y n o si ok. 0.53A). J ed n a k p io n o w a zd ol
n ość rozdzielcza ogran iczon a je s t m ech a n iczn y m i d rg a n ia m i u k ład u do O.lA, p oziom a n a to m ia st zależy od prom ien ia k rzy w izn y ostrza. W yk on u je się go sz lifu jąc w o lfr a m o w y drut tak, b y p ro m ień k rzy w izn y w y n o sił ok. O.ljiłm. Z astępczo m ożn a r ó w n ież stosow ać ch em iczn e tra w ien ie. W ów czas na ostrzu p o w sta je w ie le m in io strzy (ryc. 4b) złożon ych z k ilk u atom ów . D zięk i siln ej z a le ż n o śc i prądu tu n e lo w e g o od szero
k o ści p rzerw y s, ty lk o obszar p ołożon y n a jb liżej p rób k i b ierze u dział w tu n elo w a n iu . U zy sk a n o w ten sp o sób p ion ow ą zdolność rozd zielczą rzędu k ilk u A . Z a
tem zasada d zia ła n ia SM T jest prosta. Jed n ak by m o żliw a b yła b u d ow a ta k ie g o urząd zen ia, n ależało p rzezw y cięży ć c a ły szereg tru d n o ści n a tu ry tech n icz
n ej, zw iązan ych , po p ierw sze, z d rgan iam i z e w n ę trzn y m i oraz d rg a n ia m i w z b u d z a n y m i podczas sk a n o w a n ia próbki, k tó re n iek o rzy stn ie w p ły w a ją na zd oln ość rozdzielczą; po d ru gie z potrzeb ą k on stru k cji szy b k ieg o u k ład u p ę tli sp rzężen ia zw rotn ego, k tóra k o n tro lu je b ezp ieczn e zb liżan ie ostrza do próbki; i po trzecie z w y k o n a n iem o stry ch ostrzy. W szystk ie p o w y ższe p rob lem y rozw iązan e z o sta ły p rzez dw óch f i zyków : B in n iga i R ohrera d o 1982 r. D o k ła d n iejsze in form acje na tem a t b u d ow y SM T m ożn a zn aleźć w sp ecja listy czn y ch czasop ism ach (np. w P h y s ic s T o d a y z sierp n ia 1986 r.). Od tej c h w ili n a stą p ił g w a łto w n y rozw ój ST M -u, k tó ry d op row ad ził przed e w szy stk im do jego m in iatu ryzacji. O k azało się, że badania pro
w a d zić m ożna n ie ty lk o w próżni, le c z tak że w środ o
w isk u w odnym , w roztw orach jon ow ych i w p o w ie trzu, co m a ogrom ne zn aczen ie w b ad an iach m a teria łó w biologiczn ych . O becnie m ożn a obrazow ać p o w ierz
chnie o m a k sy m a ln y ch rozm iarach 25/j.m X 25am z sz y b k ością do 10000 A /s przy n a p ięciu tu n elo w a n ia U T od 0.002 d o 2 w o lt, n a tężen iu prądu tu n e lo w e g o rzędu k ilk u n a n o a m p eró w i przerw y s k ilk u A dla typ ow ej w a r to śc i p racy w y jścia W rów n ej k ilk u elek tro n o - w oltom .
ZASTOSOW ANIE M IKROSKOPU TUNELOWEGO W FIZYCE I W CHEMII
M ikroskop tu n elo w y n a jlep iej obrazuje strukturę p ow ierzch n i p rób ek b ęd ących dobrym i przew od n ik am i prądu elek tryczn ego, co o k reśliło tem a ty p ierw szy ch prac, w których zajęto się g łó w n ie b ad an iem m eta li
R yc. 3. T u n elo w a n ie e le k tr o n ó w w u k ład zie p rzew o- d n ik (l)-p różn ia-p rzew od n ik (2). Z ak reślon ym polem oz
naczono obsadzone poziom y elek tro n o w e. V — w y so k ość i s — szerokość b ariery, UT — n a p ięcie tu n elo w e, a En i Ef2 to o d p ow ied n io en ergie F erm iego dla p rzew od n ik a 1 i 2. S trzałk a w sk a zu je k ieru n ek tu n e
lo w a n ia elek tro n ó w
b )
Ryc. 4. Z asada d ziałan ia m ikroskopu tu n elo w eg o , a) X ,Y ,Z, to piezom an ip u latory. O strze sk a n u je prób
kę, w zd łu ż drogi, k tórej rzut zaznaczono n a próbce li
nią przeryw an ą, b) O strze tu n e lo w e w p ow ięk szen iu . N a w y sz lifo w a n y m ostrzu ob ecn y ch jest w ie le m in io s
trzy złożonych z k ilk u lu b k ilk u n a stu atom ów . W tu n elo w a n iu bierze u d zia ł m in io strze leżące n a jb liżej p o
w ie r z c h n i prób k i
94
W s z e c h ś w i a t , t. 92, nr 5/1991R yc. 5. O braz p o w ierzch n i k rzem u (111) w r e k o n stru k cji 7 X 7 w y k o n a n y m ik ro sk o p em tu n elo w y m . Z azn a
czono kom órką elem en ta rn ą z k ra w ęd zią o d łu g o ści 26.88 A . B ia łe p la m k i o k reśla ją p o ło żen ia p o jed y n czych ato m ó w krzem u (w g S.P .T ear, E u r o p e a n M i-
c r o s c o p y an d A n a l y s i s 7,13-15 (1990)
i p ó łp rzew o d n ik ó w . J ed n ą z p ie r w sz y c h zo b ra zo w a n y ch p rób ek b y ła p o w ierzch n ia grafitu z w ie lk im i, p ła sk im i o b sza ra m i o g ra n iczo n y m i p rzez m o n o a to m o - w e stop n ie d osk on ale w id o czn e w SM T. Z badano też bardzo w a ż n y tech n o lo g iczn ie m ateriał, ja k im jest krzem . J eg o p o w ierzch n ia przech od zi w tem p era tu rze 900°C p rzejście fa zo w e p o leg a ją ce na zm ia n ie u p orząd k ow an ia a tom ów p o w ierzch n i w 2 -w y m ia r o - w ej sieci. U p o rzą d k o w a n ie to n a zy w a n e jest rek o n s
tru k cją (ryc. 5). 2 -w y m ia ro w a kom órka elem en ta rn a na p o w ierzch n i krzem u za w iera 12 ato m ó w k rzem u i ch a r a k te r y sty c z n e w a k a n se w jej narożach (czyli m iejsca w s ie c i k ry sta liczn ej, k tóre p ozostają n ieza - jęte). B a d a n o te ż cien k ie w a r stw y n ik lu , tra n sfo rm a c je p o w ierzch n i p la ty n y pod d zia ła n iem różn ych czy n n ik ó w ch em iczn y ch , rea k cje k a ta lity czn e siln ie z a le żn e od stru k tu ry p ow ierzch n i, sp ek tro sk o p ię p o jed y n czych a tom ów , o b serw a cję k orozji i rea k cji e le k tr o c h em iczn y ch w ro ztw o ra ch e le k tr o lity c z n y c h oraz s p e k tro sk o p o w e b a d a n ie g ęsto ści sta n ó w czy te ż prze
strzen n ych zm ian p racy w y jśc ia W. P ro w a d zo n o ró w n ież b ad an ia e le k tr o n o w e j stru k tu ry k r y sz ta łó w ob ra
zując u p orzą d k o w a n ie a to m ó w p o w ierzch n i z dużą d ok ład n ością i sp osób ro zm ieszczen ia a to m ó w w k o m órce e le m en ta rn ej ty c h k ry szta łó w . P rzy pom ocy SM T śled zon o ta k że sta n y ła d u n k o w e j g ęsto ści fa l e le k tro n o w y ch oraz zw e r y fik o w a n o p ra w d ziw o ść m o d elu m ech a n izm u w y so k o te m p e r a tu r o w e g o n a d p rze
w o d n ictw a w stru k tu rze cera m iczn ej B i
2C aSr
2Cu
20 3. O statnio p o ja w iły się p race o p isu ją ce m o ż liw o ść m o d y fik a c ji stru k tu ry p o w ierzch n i w sk a li a to m o w ej d zięk i za sto so w a n iu w y ższeg o n a p ięcia tu n e lo w e g o U T (do 10 V).
Z A STO SO W A N IA M IK RO SK O PU TUNELOW EGO W BIOLOGII
SM T p o zw a la ob razow ać stru k tu ry b io lo g ic z n e z atom ow ą rozdzielczością, dzięk i czem u m o żem y u z y s
kać w ie le n ie z w y k le w a ż n y c h in fo rm a cji n ie o s ią g a l
n ych in n y m i m etod am i. O grom ną zaletą SM T jest m ożliw ość b ad an ia próbek w ro ztw o ra ch w o d n y ch . Środ ow isk a te, podobnie jak próżnia, p ełn ią ro lę p rzer
w y izo la cy jn ej m ięd zy d w o m a elek tro d a m i k o m p li
k u jąc je d y n ie b arierę p o ten cja łu . N ie ste ty , w ięk szo ść
R yc. 6. Ł ańcuch p o lin u k le in o w y poly(dA ). N ie n a p y lo - na p rób k a zob razow an a z o sta ła przy u ży ciu SM T d zia ła ją ceg o w śro d o w isk u w od n ym . P on iżej: p o w ię k szo n y obraz w y c in k a tej sam ej prób k i z n a n iesio n y m m o d elem m o lek u la rn y m (w g D. D u n la p & C. B u sta -
m ate, N a tu r ę 342,204-206(1989))
m a te r ia łó w b io lo g iczn y ch jest z ły m i p rzew od n ik am i (lip id y, białk a), co b ard zo utru d n ia p row ad zen ie b a
dań, p o n ie w a ż tu n e lo w a n ie w y s tę p u je w ó w cza s ze zn ik o m y m p raw d op od ob ień stw em . D rugim p roblem em je s t „ ru ch liw o ść” m a te r ia łó w biologiczn ych . W te m p era tu rze p o k o jo w ej są one stru k tu ram i d yn am icz
n y m i, co łą czn ie z ru ch a m i B row n a m oże d rastyczn ie o g ra n iczy ć rozd zielczość SM T. D uże tru d n ości sp ra
w ia r ó w n ie ż o sa d za n ie p rób ek na p ła sk im podłożu.
P o k ry w a n ie b io lo g iczn y ch próbek cien k ą, m eta liczn ą w a r stw ą (p la ty n y lu b złota) albo ro b ien ie m eta lo w y ch r e p lik jest w w ie lu p rzyp ad k ach n ieo d zo w n y m za
b ieg iem w p ro cesie p rzy g o to w a n ia p róbek b io lo g icz
n y c h do o b se r w a c ji w SM T. Z p o w o d zen iem za sto so w a n o ta k że o b razow an ie n ien a p y lo n y ch , „n agich ” str u k tu r w śro d o w isk a ch n a ty w n y ch .
O b r a z o w a n i e b e z p o ś r e d n i e
W m etod zie tej od w od n ion e p róbki osadza się na
a to m o w o p łask im , p rzew o d zą cy m pod łożu , k tórym m o
że b y ć g r a fit lu b złoto. D obre w ła sn o ś c i iz o la c y jn e
m a te r ia łó w b io lo g iczn y ch p ow od u ją, że próbka p ełn i
ro lę p rzerw y (s) m ięd zy ostrzem a p rzew od zącym p o
d łożem . G d y jest ona w y sta rcza ją co cien k a (parę A),
e le k tr o n y m ogą tu n e lo w a ć m ięd zy ostrzem i podłożem
p rzez zm o d y fik o w a n ą stru k tu rą b io lo g iczn ą b arierę
p o ten cja łu , co m a w p ły w (w g w zoru 2) n a w a rto ść
prądu tu n elo w eg o . P o w sta je w ten sposób obraz stru k
tu r y o rozd zie lczo ści k ilk u A , n ieo sią g a ln ej in n y m i
W s ze c h św ia t, t. 92, n r 5/1991
95
m etod am i preparacji. M etodą tą zobrazow ano ju ż w ie le biom olekuł: D N A g ra sicy cielęcej, różne łań cu ch y k w a só w n u k lein o w y ch , np. p oli(dG —me^dC) • poli (dG—mesdC), R N A oraz w ie le form D N A (ryc. 6), np.: Z—D N A , Z*— D N A , B—D N A . B adano przede w szy stk im stru k tu rę h e lisy (rozm iary, skok, średnicę) oraz zm ian y stru k tu ra ln e D N A i R N A w zależności od stężen ia jo n o w eg o środ ow isk a. P on ad to zajm ow a
no się d en atu racją b iałek , su b te ln y m i szczegółam i b u dow y p o lip ep ty d ó w i czy n n ik a m i w p ły w a ją c y m i na zm ianę stru k tu ry b io m o lek u ł. P rzy pom ocy w y n ik ó w uzysk an ych z SM T sk o n stru o w a n o m o d ele różnych form D N A . B ad an ie, często n ie w ie lk ic h różnic w m o lek u la rn ej strukturze, jest n ie z w y k le w ażn e, p on iew aż zm iany te w p ły w a ją na za ch o w a n ie się k w a só w n u k lein o w y ch w u k ład zie k o m ó rk o w y m . O tw iera to m oż
liw o ść badań nad m ech an izm em tra n sk ry p cji czy też rep lik a cji D N A . In teresu ją ce in fo rm a cje u zy sk u je się podczas obrazow ania b io m o lek u ł w ich n a ty w n y ch środow iskach, czego n ie m ożn a u zy sk a ć in n y m i m e
todam i. N a jc ie k a w sz y m chyba p ro b lem em jest obra
zow an ie k o m p lek só w b ia łk o w o -n u k lein o w y ch . B ad a
nia k o m p lek su D N A — R ecA E. coli (pałeczki ok rężn i- cy) w y k a za ły , że STM m oże ob razow ać tak że grube, niep rzew od zące próbki. N ie ste ty , n iezn a n y jest je sz cze m echanizm transportu elek tro n ó w p rzez tak grube struktury.
N a p y la n ie
M etoda b ezp ośred n iego ob razow an ia „n agich ” pró
b ek g w a ra n tu je co p raw d a n a jlep szą zdolność roz
dzielczą, a le prob lem n isk ie g o p rzew o d n ictw a stru k tur b io lo g iczn y ch p ozostaje n iero zw ią z a n y i u n iem o żliw ia to b ad an ia bardzo g ru b ych próbek (np. w ir u sów ). P roblem te n e lim in o w a n y jest p rzez p ok rycie m a teria łó w b iologiczn ych bardzo cien k ą (ok. ln m ) m e
taliczn ą w a rstw ą złota lu b p la ty n y po u przednim osadzeniu ich na p rzew od zącym pod łożu . P on ad to u n i
ka się k ło p o tó w z w ią za n y ch z r u ch liw o ścią próbek.
Jed n ak m etod a ta ogran icza zdolność rozdzielczą do roz
m iarów ziaren m eta lu (ok. 2— 3nm). T ech n ik ą tą zo
brazow ano zb u d ow an e z k w a śn y c h a m in o k w a só w oto
czk i arch a eb a k terii M e t h a n o s p i r i l l u m h u n g a tei GP1 (Mh). P o tw ierd zo n o jej p ie r śc ie n io w ą b u d ow ę oraz uzysk an o obraz jej su b teln ej stru k tu ry m olek u larn ej.
W b adaniach za sto so w a n o u lep szo n y m odel m ik rosk o
pu tu n elow ego, którego za letą je s t m ożliw ość obra
zo w a n ia w ie lk ic h stru k tu r p rzy jed n o czesn ej obser
w a cji w y b ra n y ch o b szarów w du żym p ow ięk szen iu .
Innym ciek a w y m p rzyk ład em są badania w iru sów fd i T7.
M e t a lo w e r e p l ik i
P ew n y ch u k ła d ó w biologiczn ych , k tóre w stan ie n a - ty w n y m pozostają w p o sta ci p łyn n ej lub p ółp łyn n ej, jak np. b łony, n ie m ożna b ezpośrednio osadzać i s u szyć n a przew od zącym podłożu. Id ea ln y m sposobem p rep aracji jest dla nich tech n ik a rep lik k o m p lem en tarn ych o trzym yw an ych drogą rozłu p yw an ia zam ro
żonych w ciek ły m złocie struktur. P o leg a ona na szyb k im zam rożeniu stru k tu ry (co p ozw ala u trw alić jej m o lek u la rn y stan), n a stęp n ie na jej rozłupaniu w próżni i n a p y len iu w a r stw y p la ty n y , złota lub w ę gla. M etalow a rep lik a po zd jęciu z prób k i jest sta b il
na podczas ob razow an ia w SM T.
W iele p o ten cja ln y ch m o żliw o ści SM T n ie je s t jesz
cze w p ełn i w y k o rzy sta n y ch . M ikroskop te n z a to m ow ą rozd zielczością tw orzy 3 -w y m ia ro w e obrazy p o w ierzch n i w próżni, w o d zie, roztw orach jon ow ych , cieczach k riogen iczn ych , p ow ietrzu i w w ie lu in n ych gazach. Próbki p odczas ob razow an ia n ie są narażone na o d d zia ły w a n ie czy n n ik ó w szk o d liw y ch d la ich stru k tu ry (np. na w y so k o en erg ety czn e prom ien iow an ie), co m a olb rzym ie zn aczen ie w b adaniach biom olekuł.
D zied zin ą p rzeży w a ją cą b u rzliw y rozw ój p ozostaje tu n elo w a sp ek trosk op ia p o jed y n czy ch atom ów i b a dania zm ian p ra cy w y jścia . T rzy la ta tem u z SM T zaczęły rozw ijać się n o w e fo rm y m ik rosk op ów , b ad a
jące np. p rzestrzen n e zm iany ch em iczn ego p oten cjału d zięk i p o m ia ro w i n atężen ia prądu tu n elo w eg o p od czas zm ian tem p eratu ry p róbki lu b absorpcji św iatła.
T ak im p rzy k ła d em m oże być A tom ie F orce M icrosco- pe, k tóry nie d o czek a ł się jeszcze p o lsk iej nazw y, a u m o żliw ia śle d z e n ie stru k tu ry p o w ierzch n i bardzo gru b ych i n iep rzew od zących próbek. Z p ew n o ścią b ę dzie dosk on ałym n arzędziem w rękach b iologów . H i
storia SM T jest jeszcze bardzo krótka i n a leży p rzy
puszczać, że op isan e w n in iejszy m artyk u le su k cesy są za led w ie p ierw szy m i, n ieśm ia ły m i próbam i zasto
sow an ia m ik rosk op u tu n elo w eg o w zaaw an sow an ych bad an iach stru k tu raln ych .
W p ł y n ę ł o 28 1 1991
j Mgr M arek R om ek je st a sy ste n te m w Z ak ład zie C ytolo- |
| gii i H isto lo g ii In sty tu tu Z oologii UJ
JA N M ERG EN TALER (W rocław)
PROTUBERANCJE SŁOŃCA I GWIAZD
R ozm aitość zja w isk zach od zących na S łoń cu jest ogrom na. Jego p o w ierzch n ia o g ląd an a przez zw y k łą lu n e tę u ja w n ia is tn ie n ie gran u lacji, p la m słon eczn ych , pochodni. A le w czasie c a łk o w ity c h zaćm ień, gdy w y gaszon e je s t rozproszone przez naszą a tm o sferę św ia tło słon eczn e, w id a ć jasn o czerw on o św iecą ce p rotu
berancje po brzegach tarczy słon eczn ej i otaczającej całą tarczę koronę słoneczną, sięg a ją cą n iera z dalej niż średnica S łoń ca. O k ażd ym z ty ch zja w isk n ap i
sano to m y i dokonano n iezliczo n y ch o b serw a cji z Z ie
m i i sa telitó w . W ybrałem do b liższeg o op isan ia tylk o
jed en typ zja w isk — p ro tu b eran cje — gd yż w iążą
96
P ę tle k o ro n a ln e po rozb łysk u 25 p a źd ziern ik a 1989 r.
F ot. d u ży koronograf, B ia łk ó w — filia ob serw atoriu m W rocław sk iego. Za zgodą prof. B. R om p olta
się o n e z n ie k tó r y m i z ja w isk a m i za ch o d zą cy m i na Z ie
m i, o czym b ęd zie m ow a na k o ń cu teg o szk icu . N a p la n szy I zd jęć p rotu b eran cji, d ok on an ych p rzez W ro cła w sk i koronograf, w id a ć jak w ró ż
n ych stad iach ro zw o ju w y g lą d a jedna z p rotu b eran cji.
P arę słó w o ty m , jak t e u tw o ry p o w sta ją i jakie są ich cech y. W a k ty w n y c h obszarach na S ło ń cu , w k tó rych w y tw a r z a ją się plam y sło n eczn e, p o w sta ją ta k że p ro tu b era n cje jako k o n d en sa cje w d o ln e j w a r stw ie k o ro n y sło n eczn ej. D zięk i n ieco w ięk szej g ę sto śc i od k oron y i n iższej tem p eratu rze, siln iej o d b ijają pro
m ien io w a n ie fo to sfe r y sło n eczn ej n iż o ta cza ją cy gaz k o ro n a ln y i są d obrze w id o czn e w lin ii H alfa w o doru w czerw o n y m p rzed ziale w id m a , p o w sta ją c e j w tem p eratu rze, jak ą m a gaz sk o n d en so w a n y w p rotu b eran cji. S tąd ich czerw o n y k o lo r, gdy o g ląd am y je w czasie ca łk o w iteg o zaćm ien ia Słońca.
T ego rodzaju k o n d en sa cje osią g a ją n iera z ogro
m n e rozm iary, w y g lą d a ją jak w ie lk ie k u r ty n y p ra w ie p io n o w o w zn o szą ce się n a d fo to sferą ; k u rtyn y, k tórych d łu gość d och od zi do k ilk u se t ty s ię c y k ilo m e trów , w y so k o ść w a h a się w g ran icach 30 000 do 100 000 k ilo m etró w (dla w y b u ch a ją cy ch o czy w iście znacznie w ięcej), a szerok ość osiąga z a le d w ie k ilk a ty s ię c y km . G dyby S ło ń ce b y ło w ie lk o ś c i p iłk i te n iso w e j, trzeba by p ro tu b eran cje bu d ow ać z cien k ieg o p a p ieru w p a sem k ach u sta w ia n y c h p ra w ie p io n o w o nad p o w ie r z ch n ią ta k iej p iłki.
R o zw ija ją ce się w ty c h g ra n ica ch w ie lk o ś c i p rotu beran cje m iew a ją bardzo za w iłe i o ry g in a ln e k szta łty . Z aczynają sw ój ży w o t jako n ied u że w łó k n a w ob
szarach a k ty w n y ch , koło p lam słon eczn ych , a po zn i
k n ięciu ty ch osta tn ich m ogą n ie r a z trw ać m iesią ca m i, ty le ty lk o , że zn aczn ie się w y d łu ż a ją , o p u szczają oko
lice, gd zie się n a ro d ziły i w ęd ru ją ku b ieg u n o m , u sta w ia ją c się dłuższą osią coraz b ard ziej p io n o w o w z g lę
dem połu d n ik ów .
N a zw a łem p ro tu b era n cje k o n d en sa cja m i i rzeczy w iśc ie gęsto ść gazu (plazm y), z k tórego się sk ład ają,
jest k ilk a se t razy w ię k sz a od g ę sto śc i o ta cza ją cej k o rony.
J e ż e li p rotu b eran cja jest k on d en sacją, ta k znacznie gęściejszą od k o ro n y słon eczn ej, w k tórej się ro z w i
ja, trzeb a w y ja śn ić , jak to się d zieje, że k u rty n a ta tak długo m oże w isie ć ponad fo to sferą sło n eczn ą , w ę drując se tk i k ilo m etró w ponad jej p ow ierzch n ią. P rzy
W s z e c h ś w i a t , t. 92, n r 5/1991
czy n ą są p ola m agn etyczn e. O r o li teg o p ola m ó w i ju ż sam p ro ces p o w sta w a n ia p rotu b eran cji. R odzą się one jako drobne w y d łu ż o n e w łó k n a , cią g n ą ce się w zd łu ż lin ii p od ziału b ieg u n o w o ści p ola m a g n ety cz
n eg o w a k ty w n y m ob szarze (w gru p ach plam ), a w cza sie d a lszeg o ro zw o ju sta le u ja w n ia ją d alszą za le żność od zja w isk m agn etyczn ych : od pól o n atężen iu do 100 g a u ssó w w ok resie p rzy n a leżn o ści do a k ty w nego obszaru, a sp ad ającym do k ilk u i k ilk u n a stu ga u ssó w w m iarę, jak p rotu b eran cje od d alają się od sw o jeg o źródła.
W p ływ p ola m a g n ety czn eg o n a jw y ra źn iej w id a ć w u tw o ra ch zb liżon ych do p rotu b eran cji, tzw . p ętlach k o ro n a ln y ch , w y tr y sk a c h m aterii po rozb łysk u , w y g lą d a ją cy ch jak łu k i lu b jak ru ry zg ię te w arkady, w k tó ry ch m ateria porusza się szy b k o w górę i opa
d a n iera z z p o w ro tem — sta le w zd łu ż m a g n ety czn y ch ru r p o w sta ją c y c h w koronie, a le tym różnych m .in.
od p ro tu b era n cji, że plazm a, z k tórej są u tw orzone, je s t r ó w n ie gorąca jak w otaczającej koronie i że ob
se rw o w a ć je m ożn a n iera z ta k że w p ro m ien io w a n iu ren tg en o w sk im . W p rotu b eran cjach ta k w y ra źn e rury m a g n e ty c z n e raczej n ie p o w sta ją , ale np. 18 sierpnia 1980 (p. zd jęcie) o g o d zin ie ó sm ej rano w id a ć szerok i łu k , jak g d y b y id ą cy od jed n ego do d rugiego b iegu n a m a gn etyczn ego.
N ie je s t rzeczą jasn ą, c o się d zieje w ted y , gdy pro
tu b era n cja w y b u ch a , a zja w isk a ta k ie są dość częste.
J ed en z ta k ich p rzy p a d k ó w w id a ć n a k o lejn y ch zd ję
ciach. W ciągu ok oło 2 god zin sp ok ojn a p rotu b eran cja zaczęła rosn ąć, w środ k u w y g in a ć się do góry, aż u le g ła rozerw an iu i tw o rzą ca ją p lazm a u n io sła się w y
soko i rozp łyn ęła.
T ak ie w y b u c h o w e p rotu b eran cje są n ie ty lk o ła d n y m zja w isk iem , a le p ow od u ją n ieraz w y ra źn ą r e a k c ję ziem sk iej m a g n eto sfery . Jak w ia d o m o , ze S łoń ca p ły n ie s t a le stru m ień p la z m y słon eczn ej tzw . w iatru sło n eczn eg o . W ybuch p ro tu b era n cji p o w o d u je w zrost g ęsto ści te g o w iatru , n ie s ie d o d a tk o w e p ole m a g n e ty czne i w p ły w a na pręd k ość słon eczn ego w ia tru . N ie są to zb yt siln e w p ły w y , znacznie słabsze od rozb łys
k ó w sło n eczn y ch w y sy ła ją c y c h w przestrzeń i p rom ie
n io w a n ie r e n tg e n o w sk ie i słon eczn e p ro m ien ie k o sm i
czne, a le są is to tn e d la badań w p ły w u S ło ń ca na zja
w isk a n a Ziem i.
O p isałem bardzo o g ó ln ik o w o sło n eczn e p rotu b eran cje. C z y je s t to z ja w isk o w y stę p u ją c e ty lk o n a S ło ń cu? A ja k jest na gw iazd ach , czy tam nie o b serw u je się czegoś podobnego? Z w y k łe sło n eczn e p rotu b eran cje n ie sięg a ją w y ż e j niż do jed n ej d ziesią tej p rom ie
n ia S ło ń ca poza jeg o tarczą, gdy o b serw u jem y je na brzegu. A p rzecież ta rczy gw iazd n ie w id z im y tak w y ra źn ie, ja k S ło ń ca , śred n ice ich w y n o szą za led w ie u ła m ek se k u n d y łu k u . A oprócz teg o jasność ich jest ta k a m ała, że m ożn a b y je n a jw y ż e j w id z ie ć w ted y , gd y g w ia zd a p od lega zaćm ien iu pod ob n ie jak S łoń ce, gd y z a sła n ia je K sięży c. Otóż w ła ś n ie — zaćm ien ie.
A le d op iero w 1981 roku u d ało się je zaob serw ow ać i od teg o czasu n ie w ie le p odobnych o b serw a cji zostało d ok on an ych .
J e st m ia n o w ic ie n ie z b y t jasn a gw ia zd a w Ł abędziu ozn aczan a w k a ta lo g a ch jako 32 C ygni. J e st to g w ia z da p od w ójn a, za ćm ien io w a , w ię k sz y sk ład n ik jest o l
b rzym em czerw o n y m , a m n iejszy jasn ym gorącym słoń cem ty p u B, o śred n icy k ilk a d ziesią t razy m n ie j
szej od śred n icy czerw o n eg o sk ład n ik a. P oza m o m en
W s ze c h św ia t, t. 92, n r 5/1991
97
tam i, gdy czerw on y olb rzym (n a zy w a m y tę k la s ę gw iazd n adolbrzym am i) za sła n ia gorącą gw iazd ę, g łó w n y m d ostaw cą św ia tła jest ta b iała ja sn a gw iazd a, której b lask p rzew yższa p ro m ien io w a n ie to w a rzy sza czerw o nego, zw ła szcza w k ró tk o fa lo w ej części w id m a. Otóż w r. 1981 z sa te lity IU E (In tern ation al U ltr a v io le t E xplorer) u d ało się zaob serw ow ać w lin ii 2650 A c a ł
k o w ite za ćm ien ie b ia łe g o to w a rzy sza , k tóre trw a ło ok oło 16 dni. W tej d łu g o ści fa li sp ad ek ja sn o ści n a
stęp o w a ł p ro sto lin ijn ie aż do fa zy ca łk o w ito ści, która trw ała około 12 d n i i n a stęp n ie ró w n ie g ła d k o n a stą p ił pow rót do p op rzed n iej jasn ości. A le w innej d łu gości fa li około 1350 A p rzeb ieg zaćm ien ia w y g lą d a ł zup ełn ie inaczej. S p ad ek ja sn o śc i b y ł podobnie gładki, a le p o ró w n ież g ła d k iej fa z ie c a łk o w ito ści, w około 3-4 dni po tej fa z ie w y s tą p iło jak b y pow tórn e m inim um , które trw a ło p ra w ie 6 dni.
To p o w tó rn e o sła b ien ie św ia tła n ie m ogło m ieć p rzyczyn y w gw ieździie czerw on ej jak o całości, ale nad jej p ow ierzch n ią u n o siła się w id o czn ie p otężn a protu b eran cja spokojna, nie p rzezroczysta dla tej d łu g o ści fa li. W ym iary tej p ro tu b era n cji w y liczo n o n a stępująco: ca łk o w ita ilo ść atom ów w od oru w k o lu m n ie prostop ad łej w y n o si około 2,8 • 1024 n a cm k w a d ratow y, d ługość ró w n o leg le do p o w ierzch n i gw iazd y około 1/6 jej prom ien ia (a w ię c około 30 prom ieni Słońca), a w y so k o ść n ad b rzegiem tarczy około 15
p ro m ien i S łoń ca. Trzeba p am iętać, że p rom ień czer
w o n eg o nad olb rzym a 32 C yg jest około 200 razy w ię k szy od p rom ien ia Słońca, a w ię c r ó w n y p ra w ie o d le g ło śc i Z iem i od Słońca. G ęstość gazu w tej protu
b era n cji cz y li ilość atom ów w odoru w cm 3 w y n o siła o k o ło 1012, a w ię c i była b lisk o 10-krotnie w yższa od g ęsto ści otaczającej chrom osfery.
T e dane, o p u b lik o w a n e przez K.P. S chrodera w 1983 r., są jak dotych czas opisem jed yn ej protu b eran cji stw ierd zon ej na gw iazd ach . Są w p ra w d zie in n e o b serw a cje d otyczące p odobnych paru gw iazd, które zd a
ją się m ów ić o n ieregu larn ościach w ch rom osferach ty c h gw iazd, w y w o ła n y c h b yć m oże obecnością protu
berancji, ale n ie m ó w ią on e o k o n k retn y m zjaw isk u , ty lk o o p ew n ej m o żliw o ści in terp reta cji ob serw acji.
A co z p o la m i m a gn etyczn ym i? Jak w y liczo n o , dla u trzym an ia o b serw o w a n ej w 32 C yg protu b eran cji w atm osferze tej g w ia zd y w y sta rczy ło b y p ole około 4 gauss, a w ię c podobnej w ie lk o ś c i jak p ola u trzy m u jące spokojne protu b eran cje na Słońcu.
W p ł y n ę ło 28 1 1991
P rof. dr Jan M ergentaler jest e m ery to w a n y m profesorem a stron om ii U. W rocław sk iego
