Kozmogén izotópokoknak nevezzük azokat az izotópokat, melyek a kozmikus sugárzás hatására képződnek a légkörben vagy a Föld felszínén. A kozmikus sugárzás Földet érő intenzitása attól is függ, hogy mekkora a Nap mágneses térerőssége. A Nap mágneses térerőssége 11 éves periodicitást mutat (ezt nevezzük Napciklusnak), ezért a kozmogén izotópok képződési intenzitása elvileg követi a Napciklust. A geokémiában gyakran használt kozmogén izotópok sok esetére már korábban kimutatták a Napciklus és a termődési ráta közötti összefüggést. A ¹⁴C, a ⁷Be, valamint a ¹⁰Be izotópokra már egyértelmű bizonyítékot szerzett a kutatótársadalom, noha ezek a kutatások nem közvetlenül a termelődést vizsgálják, hanem olyan anyagokban található izotópkoncentrációk idősorait elemezték, amelyben ezek az elemek megtalálhatóak. ¹⁴C esetén ez lehet a légköri szén-dioxid vagy faévgyűrűk, míg berillium izotópok esetén ez a légköri aeroszol. Ezen anyagok idősorait elemezve a légköri folyamatokat, valamint a Nap légkörre vonatkozó hatását lehet jobban megérteni. A hidrogén radioaktív izotópja, a trícium (³H) a természetben szintén a kozmikus sugárzás hatására jön létre a troposzféra felső rétegeiben és a sztratoszférában. 2001 óta tartó saját debreceni tríciumméréseink, valamint a Föld különböző helyeiről származó 15 másik csapadék idősort elemezve elsőként a világon sikerült kimutatnunk, hogy a csapadék kozmogén tríciumkoncentrációja és a Napciklus között egyértelmű összefüggés áll fenn. Ez korábban egyrészt azért sem volt lehetséges, mert a légköri termonukleáris fegyverkísérletek hatására a csapadék tríciumkoncentrációja 100-1000-szeresére emelkedett (ún. bombacsúcs), ami elnyomta a természetes változásokat, valamint nem volt elegendően pontos a kutatók rendelkezésére álló méréstechnika. A tríciumidősorok Fourier-elemzésével sok esetben nem csak a jól ismert szezonális periodicitást sikerült detektálnunk, hanem egy 12,4±1,8 éves periódust is, amely jól egyezük az utóbbi három Napciklus 10,6±1,8 éves átlagos hosszával. Keresztkorrelációs és különféle wavelet analízis vizsgálatok is szignifikáns periódust mutattak a 11 év körüli tartományban. Mivel azonban az ezen a viszonylag rövid időszakon (20-30 év) vizsgált azonos periódus létezése még nem bizonyítja az ok-okozati összefüggést, egyenként kizártuk azon lehetséges tényezők hatását, amelyek hatással vannak. Kizártuk, hogy ez mesterséges, a nukleáris iparból származó hatás lenne. Backward trajektóriák elemzésével kizártuk azt, hogy esetleg a légköri nedvesség uralkodó származási helye változott volna meg úgy, hogy az látszólagos periodicitást eredményezett volna. Szándékaink szerint olyan gleccsermintákon szeretnénk folytatni a kutatást, ahol a bombacsúcs előtti időkről származó jégminták tríciumtartamának elemzésekor már nem kell az emberi trícium hatásával számolni.

A negatív ionok igen érdekes szerepet játszanak az atomfizikai kutatásokban, mivel egy semleges atom egy plusz elektront csak az elektronkorreláción keresztül képes stabil kötött állapotban megtartani. A negatív ionok kvantummechanikai leírása napjainkban is nehézkes még néhány elektronos atomok/molekulák esetében is, annak ellenére, hogy az első elméleti munka már közelítőleg 90 éve megjelent negatív hidrogén ionra. A részletes irodalmi áttekintés a cikkben megtalálható.

Jelen közleményben negatív fluor ionokon bekövetkező egy foton-direkt kétszeres elektron leválasztási folyamat (PDD, PhotoDouble Detachment) létezésének egyértelmű kimutatása kerül bemutatásra, amely a F- ion 1s-2p héjai közötti korreláció eredménye. Továbbá abszolút hatáskeresztmetszetet határoztak meg erre a másodrendű folyamatra jellemző fotonenergia-tartományban.

Az ismertetett kísérleti eredmények új lehetőséget nyitnak az elektronkorreláció tanulmányozására azzal, hogy ionok fotoionizációs folyamatát vizsgálták és kimutatták az egy foton-direkt kétszeres elektron leválasztási folyamatok létezését, valamint ennek jelentőségét atomok, molekulák és ezek ionjainak fotoionizációjában. Az ionok alkalmazásának nagy előnye az, hogy viszonylag egyszerűen változtatható az elektronkorreláció erőssége az elektron-mag kölcsönhatáshoz viszonyítva. 

        A mágneses rezonancián alapuló orvosdiagnosztikai képalkotó rendszerek (MRI) rutinszerű alkalmazása igen elterjedt. Ennek következtében a felhasznált gadolínium-tartalmú kontraszt anyagok (GBCA) mennyisége is jelentősen megnövekedett. A gadolíniumot tartalmazó kontraszt anyagok a betegek vizeletével a szennyvízhálózatba kerülnek. A szennyvíztisztító telepek nem tudják az antropogén gadolínium koncentrációját a kívánt mértékben lecsökkenteni. A felszíni vizek gadolínium koncentrációjának növekedését világszerte kimutatták. Az utótisztító tórendszerekben használt hínárnövények GBCA felvételét eddig nem tanulmányozták.

            Négy olyan hínárfaj (púpos békalencse – Lemna gibba, érdes tócsagaz – Ceratophyllum demersum, aprólevelű átokhínár – Elodea nuttallii, kanadai átokhínár – E. canadensis) kontrasztanyag felvételét tanulmányoztuk, melyek a magyarországi szennyvíztelepek utótisztító tórendszereiben tömegesek.

            A kontrasztanyagok közül az Omniscant és a Dotaremet vizsgáltuk, ezt a két anyagot elterjedten alkalmazzák az MRI központokban. A növényeket laboratóriumi körülmények között neveltük. A GBCA felvételét és leadását a gadolínium-tartalmuk alapján, ICP-MS technikával követtük.

            Szignifikáns bioakkumulációt nem tudtunk kimutatni. GBCA-t tartalmazó tápoldaton nevelve, a növényi szövetekben a Gd koncentráció maximuma egy nap alatt állt be a békalencse, és négy nap alatt az érdes tócsagaz esetében. A tócsagaznál a nyílt láncú Omniscan kétszer olyan magas szöveti koncentrációt eredményezett, mint a makrociklusos Dotarem. Kontraszt anyagot tartalmazó tápoldaton tevelt, majd GBCA-t nem tartalmazó tápoldatra helyezett békalencsék Gd-tartalma 1,9 nap alatt csökkent felére az Omniscan, és 2,9 nap alatt a Dotarem esetében. Egyik hínárnövény sem csökkentette szignifikánsan a víz Gd koncentrációját a vizsgált 1-256 ug/L tartományban.

Eredményeink alapján az utótisztító tórendszerek sem tudják lecsökkenteni a vizek antropogén gadolínium koncentrációját. Úgy tűnik, a vizinövények nem akkumulálják ezeket a vegyületeket, így rajtuk keresztül nem kerülhet gadolínium a táplálékláncba.

A vasnál nehezebb stabil izotópok döntő többsége neutronbefogás révén keletkezik az úgynevezett s illetve r folyamatokban. Azonban kizárólag ezen két folyamat segítségével a nehéz elemek izotópgyakoriságai nem írhatóak le, legalább még két asztrofizikai folyamat szükséges bizonyos magok szintéziseihez.

Egyrészt található a stabilitás völgyének proton-gazdag oldalán körülbelül 30-35 olyan, többnyire páros-páros, kis gyakoriságú atommag melyek jelenlegi ismereteink szerint a korábban létrejött s illetve r magok fotobomlása révén az úgynevezett asztrofizikai p-folyamat során keletkezik. Másrészt a Ge és Ag elemek között található neutron gazdag stabil izotópokat az asztrofizikai r folyamat csak igen kis hatékonysággal képes létrehozni. A szupernóva összeomlások legújabb szimulációi azonban megmutatták, hogy a neutroncsillagok felszínéről a robbanás során lelökött mindössze kissé neutron gazdag anyagban (p,n) és (α,n) reakciók révén ezen izotópok megfelelő gyakorisággal felépülhetnek a gyenge r-folyamat során.  

A fent leírt mindkét folyamatot kiterjedt reakcióhálózat számításokkal modellezik, melyben az egyes reakció hatáskeresztmetszeteket a statisztikus modell segítségével, globális magpotenciálok alkalmazásával származtatják. Az elméleti hatáskeresztmetszet jóslatok kísérleti adatokkal való összevetése lehetővé teszi az asztrofizikai modellek magfizikai inputjának ellenőrzését.

A 115In magon lejátszódó α-részecske indukált magreakció hatáskeresztmetszetek és 115In(α,α)115In rugalmas alfa részecske szórás szögeloszlások párhuzamos mérésével megszorítottuk a modellszámításokban használt magfizikai input paramétereket – úgymint α-részecske mag optikai potenciál, γ-erősség függvény, nívósűrűség – ezenkívül becslést adtunk az alfa-indukált reakciók csillaghőmérsékletnek megfelelő energiákra vonatkozó hatáskeresztmetszeteire.

Az atomok részecskebombázással kiváltott egyszeres ionizációja egy háromtest szétesési folyamat: az ütközés végállapotát a bombázó részecske, az atom szabaddá vált elektronja és az ionizált atom alkotja. A folyamat megértése elméleti szempontból komoly kihívást jelent, mivel a három távolodó részecske közötti hosszú hatótávolságú Coulomb-erő a részecskék szabad mozgását az atomi méreteket sokszorosan meghaladó távolságokban is jelentékenyen módosítja. Ez a háromtest probléma ezért egzaktul nem oldható meg, a folyamat leírása csak közelítésekkel lehetséges. Az ionizációs elméleti modellek kísérleti ellenőrzésének leghatékonyabb módja a folyamatra vonatkozó teljesen differenciális hatáskeresztmetszetek mérése. Egy ilyen mérés során meghatározzák a három szabaddá váló részecske mindegyikének az impulzusvektorát, azaz kinematikailag komplett mérést hajtanak végre az ütközési folyamaton. Az atomi ütközések területén ilyen jellegű mérésekre a reakció mikroszkópként is emlegetett COLTRIMS (cold-target-recoil-ion-momentum spectroscopy) technikát fejlesztették ki. Ezt az elmúlt évtizedekben nagyszámú vizsgálatban alkalmazták, és egyre tökéletesítették. A COLTRIMS hatékonyságát nemrégen egy, a Frankfurti Egyetemen elvégzett kísérlettel demonstrálták, amely során 1 MeV-es protonoknak hélum atomokkal történő ütközésében az emittált részecskék impulzusát rekord pontossággal mérték meg. A kapott teljesen differenciális hatáskereszt-metszeteket nagyon jó egyezésben találták a perturbációs elméletek előrejelzéseivel. Ez azért egy nagyon fontos eredmény, mert korábban hasonló ütközés feltételekkel elvégzett kísérletekben a mért és a számított adatok között jelentős eltérések mutatkoztak. Egy ilyen nagy vitát kiváltó kísérletet a Nature folyóiratban közöltek 2006-ban. A cikk szerzői azt találták, hogy a mért adatok egy részét az akkori legpontosabb elméleti modell sem képes reprodukálni. A fent említett frankfurti kísérlet arra hívta fel a figyelmet, hogy az elméleti modellek és a korábbi kísérletek közötti ellentmondás részben az impulzusmérés elégtelen pontosságára vezethető vissza.

A frankfurti mérési eredmények elméleti interpretálására a publikáló cikk szerzői, valamint további elméleti munkák szerzői kvantummechanikai perturbációs számításon alapuló elméleti modelleket alkalmaztak. Kérdésként vetődött fel, hogy a mért adatok értelmezhetők-e egy klasszikus mechanikai, nem-perturbatív elmélettel, nevezetesen a a klasszikus pályák számításán alapuló Monte Carlo (classical trajectory Monte Carlo, CTMC) módszerrel. A CTMC a kölcsönható részecskékre felírt Newton-egyenleteket oldja meg. A megoldáshoz a

kinematikai változók kezdeti megválasztása azok kvantummechanikai eloszlásai alapján történik. Jelen cikk azt mutatja meg, hogy a CTMC egy továbbfejlesztett változata alkalmas a tekintett ionizációs folyamatra vonatkozó teljesen differenciális hatáskeresztmetszetek meghatározására. Ugyanakkor összehasonlítva a módszer eredményeit a kvantummechanikai számításokkal, felhívja a figyelmet az ütközés azon részfolyamataira, amelyek tisztán kvantummechanikai jellegűek. A cikk a CTMC-vel elemzi a korábbi kísérletek eredményeit. Kiemelten foglalkozik a Nature-ben közölt mérési adatokkal. Ez utóbb analízis egyik fontos megállapítása a

kísérletben alkalmazott lövedékrészecske koherencia tulajdonságával kapcsolatos: a kísérlet és elmélet közötti ellentmondás egy lehetséges oka a lövedék koherenciavesztése.

Atomi szintű, nanométeres skálán történő felületfizikai folyamatok kutatása a modern fizika témakörébe tartozik. Atomi migrációs folyamatok tanulmányozása fontos mind alapkutatás, mind technológiai szempontból. Néhány nanométeres rétegvastagságú filmekben a migrációs folyamatokat jellemző aktivációs energiák és diffúziós együtthatók meghatározása nem egyszerű, mivel vékony filmrétegekben a réteget szemcsehatárok alkotják és az atomi mozgások szemcsehatár menti diffúzió formájában is megvalósulhatnak. A szemcsehatár menti diffúzió jóval gyorsabb, mint a tömbi diffúzió. Diffúziós együtthatója akár nagyságrendekkel is nagyobb a tömbi diffúziós együtthatónál. Emiatt direkt módon ezeket a méréseket eddig nem sikerült végrehajtani, a szükséges adatokat általában indirekt módon határozták meg, ezért a kísérleti eredmények rendkívül hiányosak.

A vizsgálatok során XPS-SNMS-LEIS-SPM (Röntgen gerjesztésű fotoelektron spektroszkópia - másodlagos semleges részecske tömegspektrometria - ionszórásos spektroszkópia - pásztázótűs mikroszkópia) mérőberendezések együttes használata tette lehetővé, hogy atomi skálán végigkövessük a réz atomok hőmérséklet által indukált szemcsehatármenti migrációját és direkt módon határozzuk meg a diffúziós együtthatókat, valamint tanulmányozzuk az ezáltal létrejött felületi réteg kialakulásának mechanizmusát. Kiderült, hogy az általunk vizsgált folyamat nem minden részletét tudják pontosan leírni az eddigi elméletek és elképzelések.

A LEIS-SPM mérésekkel sikerült kimutatni azt a néhány atomot, amelyek a szemcsehatár mentén elsőként diffundáltak keresztül. Ez az érzékenység más módszerrel nem lehetséges a szükséges hosszú mérési idő és kis anyagmennyiségek detektálhatóságának hiánya miatt. Amíg a felületek atomi lefedettségéről a LEIS jó statisztikai adatokat szolgáltat makroszkópikus (négyzetmilliméteres) területről, addig SPM-mel akár egyedi atomoknak a felbukkanásáról és későbbi elhelyezkedéséről is kaphatunk információt. Ily módon szubnanométeres diffúziós folyamatok vizsgálatára egy egyedi, új, eddig nem használt mérési technika vált ismertté, mely mérési adatokat, szerkezet-specifikus együtthatókat szolgáltathat a nanodiffúzió elméleti leírásaihoz.