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水中电子阿秒级运动首次“定格”

稿件来源:科技日报 张佳欣 责任编辑:ICAC 发布时间:2024-02-20

科学家使用同步阿秒X射线脉冲对(图中粉色和绿色)来研究液态水中电子(金色)在阿秒时间尺度内的能量响应,氢(白色)和氧(红色)原子被及时“定格”。图片来源:美国西北太平洋国家实验室

在一项类似于定格摄影的实验中,美国和德国科学家团队首次拍摄了液态水中电子实时运动的“定格帧”。发表在最新一期《科学》杂志上的这项成果标志着实验物理学的重大进步。该研究提供了一个窗口,使科学家能在以前用X射线无法企及的时间尺度上了解液体中分子的电子结构。

这项研究中,科学家定格了液态水中电子围绕原子的轨道运动,同时也拍摄了原子的能量运动。这项创新技术类似于定格动画,是通过使用来自X射线自由电子激光器的同步阿秒X射线脉冲对而实现的。

电子是围绕原子核运动的亚原子粒子。亚原子粒子的运动速度非常快,要拍摄它们的动作必需一个能以阿秒单位计时的探测器。

此前,辐射化学家只能在皮秒(阿秒的百万分之一)的时间尺度上解析电子运动。现在,在阿秒尺度上研究X射线击中目标的电子反应的能力使研究人员能够深入研究辐射引发的化学反应,比以前的方法快100万倍。

为实现这一目标,研究人员在美国加州的直线加速器相干光源(LCLS)上使用了阿秒X射线脉冲。他们选择了液态水作为实验对象。研究中开发的技术,即液体中的全X射线阿秒瞬时吸收光谱,使他们能在原子核移动之前,在电子进入激发状态时“观察”由X射线激发的电子。

研究结果表明,长期以来对液态水结构的测量被误解了。这项新技术揭示了物质受到X射线照射时的瞬时电子变化,是了解辐射暴露对物体和人的影响的重要进展。

本研究建立在阿秒物理学这一新学科的基础上,阿秒物理学曾获2023年诺贝尔物理学奖。新发现不仅加深了科学家对辐射诱导化学的理解,还标志着阿秒科学新纪元的开始,有助于未来对辐射引起的过程的研究,例如太空旅行、癌症治疗以及核反应堆和遗留废物中遇到的辐射诱导过程。

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