Badania naukowe
Badania naukowe prowadzone w instytucie dotyczą następujących dziedzin fizyki: fizyka atomowa, fizyka cząsteczkowa, fizyka jądrowa wysokich energii, astrofizyka, biofizyka, fizyka medyczna, fizyka stosowana, fizyka teoretyczna, dydaktyka fizyki oraz nowych kierunków badań, podjętych od roku 2003, informatyki i teleinformatyki.
Fizyka atomowa: Badania z fizyki atomowej dotyczą rozlicznych procesów zachodzących podczas zderzeń atomowych, w szczególności jonizacji wewnętrznych powłok atomowych, rekombinacji radiacyjnej, dwuelektronowej i trzyciałowej. Badania te mają charakter podstawowy, gdy chodzi np. o testowanie przewidywań elektrodynamiki kwantowej, lecz bywają też bardzo ważne ze względu na zastosowania praktyczne. Wykonywanie eksperymentów wymaga potężnych urządzeń – akceleratorów jonów, pierścieni akumulacyjnych, więc badania prowadzone są we współpracy z dużymi ośrodkami jak: Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) w Darmstadt w Niemczech, Instytut Paula Scherrera w Villigen w Szwajcarii czy Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów w Warszawie. Program badań procesów atomowych wspierany był kilkoma grantami KBN. Studenci uczestniczą w nim, głównie na etapie opracowywania danych pomiarowych.
Fizyka cząsteczkowa: Badania z fizyki cząsteczkowej koncentrują się na analizie procesów rekombinacji i dysocjacji jonów molekularnych w rezultacie ich zderzeń z elektronami swobodnymi. Procesy te są bardzo ciekawe w kontekście astrofizyki, bowiem zachodzą w jonosferach planet i obłokach międzygwiezdnych. Część eksperymentalna badawczego programu realizowana jest przy wykorzystaniu pierścienia akumulacyjnego CRYRING w Laboratorium Manne Siegbahna w Sztokholmie. W badania te, finansowane z grantów KBN i funduszy europejskich, włączeni są studenci, mając możność uczestniczyć tak w samych pomiarach jak i przy opracowywaniu danych doświadczalnych.
Fizyka jądrowa wysokich energii: Badania dotyczą zderzeń relatywistycznych jonów obserwowanych, tak w doświadczeniach akceleratorowych (WA98, ALICE, NA49), jak i w promieniowaniu kosmicznym. Obecnie główny temat badań wiąże się z eksperymentem określanym symbolem NA49, a realizowanym przez wielonarodową grupę fizyków w Europejskim Centrum Badań Jądrowych (CERN) w Genewie. Celem eksperymentu jest wytworzenie w zderzeniach jąder atomowych rozpędzonych do bardzo wysokiej energii gęstej i gorącej materii i stwierdzenie, czy występuje ona w stanie tzw. plazmy kwarkowo-gluonowej. Pięcioosobowa grupa fizyków z Kielc uczestniczy zarówno w samym prowadzeniu eksperymentu przy akceleratorze w CERN-ie, jak i opracowaniu zebranych danych doświadczalnych. Szczegółowo są analizowane fluktuacje krotności produkowanych cząstek oraz ich rozkłady azymutalne. W pracach związanych z eksperymentem NA49 biorą udział studenci. Latem 2003 roku, trójka studentów wyjechała na „Summer Student Program” do Instytutu Fizyki Ciężkich Jonów (GSI) w Darmstadt i Niemieckiego Laboratorium Synchrotronowego (DESY) w Hamburgu.
Astrofizyka: Prowadzone w Instytucie badania astrofizyczne koncentrują się na statystycznej analizie skatalogowanych danych dotyczących wielkoskalowych struktur we Wszechświecie. Chodzi tutaj głównie o poznanie rozkładów przestrzennych galaktyk i gromad galaktyk. W związku z otwarciem jesienią 2003 roku niewielkiego obserwatorium astronomicznego na ostatniej kondygnacji budynku Instytutu, które ma służyć celom dydaktyczno-popularyzacyjnym i naukowym, zainicjowany został program obserwacyjny ukierunkowany na badanie gwiazd zmiennych i małych obiektów Układu Słonecznego. Studenci, szczególnie ci z koła naukowego Kwazar, zaangażowani są we wszelkie działania związane z funkcjonowaniem obserwatorium, uczestniczą w prowadzonych badaniach, szkołach młodych uczonych oraz konferencjach, nawet międzynarodowych.
Biofizyka: Badania biofizyczne dotyczą głównie transportu substancji przez membrany, procesu niezwykle ważnego z punktu widzenia metabolizmu każdej żywej komórki. Prowadzone są badania fizycznych podstaw translokacji wody w roślinach. Prace eksperymentalne prowadzone są przy wykorzystaniu zbudowanej w Instytucie interferometrycznej aparatury pozwalającej śledzić ewolucję czasową rozkładu substancji w układzie membranowym. W układzie takim występuje cały szereg interesujących zjawisk fizycznych: dyfuzja oraz jej anomalna postać tzw. subdyfuzja, konwekcja oraz konwekcyjne niestabilności. Tematem wielu prac magisterskich były obserwacje owych zjawisk przy wykorzystaniu wspomnianej aparatury interferometrycznej.
Fizyka medyczna: Badania z zakresu fizyki medycznej są skoncentrowane w dwóch niezależnych obszarach. Pierwszy z nich wiąże się z wykorzystaniem metod rentgenowskiej analizy fluorescencyjnej w badaniach biomedycznych głównie w celu określenia związków, jakie zachodzą między stanami chorobowymi a koncentracją pierwiastków śladowych w różnorodnych tkankach i płynach ustrojowych człowieka. Drugi obszar badań wiąże się z poszukiwaniem rozwiązań w dziedzinie technik obrazowania stosowanych w diagnostyce i terapii medycznej. W wyniku tej działalności opracowano nowe procedury diagnostyczne stosowane w planowaniu leczenia i procedury dozymetryczne stosowane w terapii nowotworów fotonami i elektronami. Wyniki tych badań są stosowane w rutynowej działalności fizyków medycznych zarówno w Świętokrzyskim Centrum onkologii jak i w innych placówkach onkologicznych w kraju. Nowym kierunkiem badań są techniki wykorzystywane w pozytonowej tomografii emisyjnej i medycynie nuklearnej.
Fizyka stosowana: Posiadana w Instytucie aparatura do rentgenowskiej analizy fluorescencyjnej (XRF) jest wykorzystywana w różnorodnych badaniach stosowanych z zakresu archeologii, historii sztuki, ochrony środowiska, hydrologii i medycyny. I tak, na przykład, w ciągu ostatnich kilku lat metoda XRF była wykorzystywana do badania składu chemicznego ozdób kultury celtyckiej znalezionych na terenie Polski, badaniu środków konserwujących zawartych w rzeźbach z ołtarza Wita Stwosza w Krakowie; badaniach stopnia zanieczyszczenia wody i powietrza oraz skażenia osadów rzecznych Wisły (2 studentki z Upsali w ciągu 3 miesięcznego pobytu w Instytucie realizowały temat w ramach prac magisterskich finansowanych przez program Tempus), badaniach materiałowych dotyczących czystości kryształów oraz w interdyscyplinarnych badaniach środowiskowych i biomedycznych prowadzonych w celu określenia wpływu zanieczyszczenia środowiska naturalnego na stan zdrowia ludzi. Otrzymane wyniki umożliwiły sformułowanie ogólnych wniosków dotyczących natury rozkładów pierwiastków śladowych w przyrodzie.
Fizyka teoretyczna: Tematyka prac teoretycznych jest mocno związana z doświadczalnymi badaniami prowadzonymi w Instytucie. I tak, modelowane są zderzenia jąder atomowych przy wysokich energiach, badane są własności plazmy kwarkowo-gluonowej, czy charakter przejść fazowych silnie-oddziaływującej materii. Jednym z ważnych podejmowanych tematów jest poszukiwanie opisu transportu substancji w układzie membranowym, szczególnie wtedy, gdy w układzie występuje subdyfuzja. Badane są również równowagowe i nierównowagowe układy pól kwantowych, opracowywane są metody tzw. rozwinięcia optymalizowanego stosowanego do opisu szeregu układów pól kwantowych.
Dydaktyka fizyki: Badania z obszaru dydaktyki, prowadzone we współpracy z kieleckimi szkołami i centrum doskonalenia nauczycieli, koncentrują się na zagadnieniu ewolucji zasobu pojęć fizycznych uczniów na różnych szczeblach edukacji. Analizowany jest przebieg percepcji pojęć i procesów edukacyjnych warunkujących ich rozumienie. Wyniki owych badań wykorzystywane są przy przygotowywaniu materiałów dydaktycznych, głównie dla nauczycieli. Ważnym elementem działalności z obszaru dydaktyki są opracowania programów nauczania, podręczników szkolnych (wraz z ich „obudową” metodyczną) w zakresie nauczania przyrody w szkole podstawowej i fizyki i astronomii w szkole średniej.
Informatyka i teleinformatyka: Prace badawcze z zakresu informatyki, teleinformatyki i dziedzin pokrewnych prowadzone przez pracowników Instytutu obejmują głównie zagadnienia cyfrowego przetwarzania sygnałów i obrazów, kompresji danych, sieci teleinformatycznych i transmisji danych. Aktualnie prowadzony w Zakładzie Informatyki Grant KBN obejmuje badania nad nowymi metodami kompresji rzeczywistych sekwencji obrazów panoramicznych, czyli obrazów tej samej sceny uzyskanych z przesuniętych względem siebie punktów akwizycji. Wykorzystując metody geometrii epipolarnej, na podstawie sekwencji wybranych obrazów sceny (obrazów referencyjnych), powiązanych równaniem fundamentalnym, dokonuje się predykcji kolejnych obrazów tej samej sceny. Proponowane metody predykcji są istotnym elementem nowych, efektywnych algorytmów kompresji obrazów panoramicznych. Opracowane algorytmy kompresji mogą znaleźć zastosowanie m.in. w transmisji rzeczywistych obrazów telewizyjnych i video poprzez Internet.