水中電子阿秒級運動首次“定格”
科技日報北京2月17日電 （記者張佳欣）在一項類似于定格攝影的實驗中，美國和德國科學(xué)家團(tuán)隊首次拍攝了液態(tài)水中電子實時運動的“定格幀”。發(fā)表在最新一期《科學(xué)》雜志上的這項成果標(biāo)志著實驗物理學(xué)的重大進(jìn)步。該研究提供了一個窗口，使科學(xué)家能在以前用X射線無法企及的時間尺度上了解液體中分子的電子結(jié)構(gòu)。
科學(xué)家使用同步阿秒X射線脈沖對（圖中粉色和綠色）來研究液態(tài)水中電子（金色）在阿秒時間尺度內(nèi)的能量響應(yīng)，氫（白色）和氧（紅色）原子被及時“定格”。
圖片來源：美國西北太平洋國家實驗室
這項研究中，科學(xué)家定格了液態(tài)水中電子圍繞原子的軌道運動，同時也拍攝了原子的能量運動。這項創(chuàng)新技術(shù)類似于定格動畫，是通過使用來自X射線自由電子激光器的同步阿秒X射線脈沖對而實現(xiàn)的。
電子是圍繞原子核運動的亞原子粒子。亞原子粒子的運動速度非?？欤臄z它們的動作必需一個能以阿秒單位計時的探測器。
此前，輻射化學(xué)家只能在皮秒（阿秒的百萬分之一）的時間尺度上解析電子運動。現(xiàn)在，在阿秒尺度上研究X射線擊中目標(biāo)的電子反應(yīng)的能力使研究人員能夠深入研究輻射引發(fā)的化學(xué)反應(yīng)，比以前的方法快100萬倍。
為實現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員在美國加州的直線加速器相干光源（LCLS）上使用了阿秒X射線脈沖。他們選擇了液態(tài)水作為實驗對象。研究中開發(fā)的技術(shù)，即液體中的全X射線阿秒瞬時吸收光譜，使他們能在原子核移動之前，在電子進(jìn)入激發(fā)狀態(tài)時“觀察”由X射線激發(fā)的電子。
研究結(jié)果表明，長期以來對液態(tài)水結(jié)構(gòu)的測量被誤解了。這項新技術(shù)揭示了物質(zhì)受到X射線照射時的瞬時電子變化，是了解輻射暴露對物體和人的影響的重要進(jìn)展。
本研究建立在阿秒物理學(xué)這一新學(xué)科的基礎(chǔ)上，阿秒物理學(xué)曾獲2023年諾貝爾物理學(xué)獎。新發(fā)現(xiàn)不僅加深了科學(xué)家對輻射誘導(dǎo)化學(xué)的理解，還標(biāo)志著阿秒科學(xué)新紀(jì)元的開始，有助于未來對輻射引起的過程的研究，例如太空旅行、癌癥治療以及核反應(yīng)堆和遺留廢物中遇到的輻射誘導(dǎo)過程。
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