تکنیک جدید طیف‌سنجی پرتو ایکس آتوثانیه هسته‌های اتمی را در جای خود منجمد می‌کند - دنیای فیزیک

دانشمندان اکنون می توانند حرکت الکترون ها و یونیزاسیون مولکول ها را در زمان واقعی به لطف یک تکنیک جدید طیف سنجی اشعه ایکس آتوثانیه دنبال کنند. مانند عکاسی استاپ موشن، این تکنیک به طور موثر هسته اتم را در جای خود منجمد می‌کند، به این معنی که حرکت آن نتایج اندازه‌گیری‌های الکترون‌هایی را که در اطراف آن می‌چرخند منحرف نمی‌کند. به گفته توسعه دهندگان این تکنیک، می توان از آن نه تنها برای بررسی ساختار مولکول ها، بلکه برای ردیابی تولد و تکامل گونه های واکنشی که از طریق تشعشعات یونیزان تشکیل می شوند، استفاده کرد.

واکنش‌های شیمیایی ناشی از تشعشعاتی که می‌خواهیم مطالعه کنیم، نتیجه پاسخ الکترونیکی هدف است که در مقیاس زمانی آتوثانیه اتفاق می‌افتد (10).^-18 ثانیه)،» توضیح می دهد لیندا یانگ، یک فیزیکدان در آزمایشگاه ملی آرگون و دانشگاه شیکاگو، ایالات متحده، که این تحقیق را همراه با رابین سانترا از Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) و دانشگاه هامبورگ در آلمان و شیائو سونگ لی از دانشگاه واشنگتن، ایالات متحده تا به حال، شیمیدانان تشعشعی فقط می توانستند رویدادها را در مقیاس زمانی پیکوثانیه حل کنند (10^-12 ثانیه)، که یک میلیون بار کندتر از یک آتوثانیه است. مثل این است که بگویید "من به دنیا آمدم و سپس مردم". دوست دارید بدانید در این بین چه اتفاقی می افتد. این چیزی است که ما اکنون قادر به انجام آن هستیم.»

پمپ و پروب

تکنیک جدید به شرح زیر عمل می کند. ابتدا، محققان یک پالس پرتو ایکس آتوثانیه با انرژی فوتون 250 الکترون ولت (eV) را به نمونه ای از آب اعمال می کنند، در این مورد، اگرچه تیم می گوید این تکنیک می تواند با طیف گسترده ای از سیستم های ماده متراکم کار کند. . این پالس «پمپ» اولیه، الکترون‌ها را از اوربیتال‌های بیرونی (ظرفیت) مولکول آب که مسئول پیوندهای مولکولی و واکنش‌های شیمیایی هستند، تحریک می‌کند. این اوربیتال‌ها دورتر از هسته اتم هستند و انرژی اتصال بسیار کمتری نسبت به اوربیتال‌های "هسته" داخلی دارند: حدود 10-40 eV در مقایسه با حدود 500 eV. این امر یونیزه کردن آنها را امکان پذیر می کند - فرآیندی که به عنوان یونیزاسیون ظرفیتی شناخته می شود - بدون اینکه بر بقیه مولکول تأثیر بگذارد.

حدود 600 آتوثانیه پس از یونیزاسیون ظرفیت، محققان دومین پالس آتوثانیه - پالس کاوشگر - را با انرژی حدود 500 eV به نمونه شلیک کردند. یانگ توضیح می‌دهد: «تأخیر زمانی کوتاه بین پالس‌های پمپ و پروب یکی از دلایلی است که اتم‌های هیدروژن زمان حرکت ندارند و مانند «یخ زده» هستند. "این بدان معنی است که حرکت آنها بر نتایج اندازه گیری تاثیر نمی گذارد."

هنگامی که پالس کاوشگر با حفره های (جای خالی) باقی مانده در اوربیتال های ظرفیتی پس از یونیزاسیون ظرفیت، برهمکنش می کند، توزیع انرژی پالس تغییر می کند. محققان با انعکاس پالس از یک توری که این توزیع انرژی را روی یک آشکارساز دوبعدی پراکنده می‌کند، به چیزی دست می‌یابند که یانگ آن را «عکس فوری» یا «اثر انگشت» طیفی از الکترون‌های اشغال‌کننده اوربیتال‌های ظرفیتی می‌نامد.

یافتن نقص در نتایج قبلی

محققان با مشاهده حرکت الکترون های پرانرژی اشعه ایکس در حال حرکت به سمت حالت های برانگیخته، نقص هایی را در تفسیر اندازه گیری های طیف سنجی اشعه ایکس قبلی بر روی آب کشف کردند. این آزمایش‌های قبلی سیگنال‌های اشعه ایکس را تولید کردند که به نظر می‌رسید از اشکال ساختاری یا «نقوش» متفاوت در دینامیک آب یا اتم‌های هیدروژن سرچشمه می‌گرفتند، اما سانترا می‌گوید مطالعه جدید نشان می‌دهد که اینطور نیست.

در اصل، می‌توان فکر کرد که دقت زمان‌بندی این نوع آزمایش محدود به طول عمر است (که حدود چند فمتوثانیه یا 10 است.^-15 ثانیه) از حالت های کوانتومی الکترونیکی برانگیخته با اشعه ایکس تولید شده است.» او می گوید دنیای فیزیک. با این حال، از طریق محاسبات مکانیکی کوانتومی، ما نشان دادیم که سیگنال مشاهده‌شده به کمتر از یک فمتوثانیه محدود می‌شود. به همین دلیل است که ما توانستیم نشان دهیم که اندازه‌گیری‌های طیف‌سنجی اشعه ایکس روی ساختار آب مایع قبلاً اشتباه تفسیر شده بود: برخلاف این اندازه‌گیری‌های قبلی، اتم‌های هیدروژن متحرک ما تحت تأثیر قرار نگرفتند.

اهداف و چالش های تجربی

هدف اولیه محققان این بود که منشأ گونه‌های واکنشی را که در اثر برخورد اشعه ایکس و سایر اشکال پرتوهای یونیزان به ماده ایجاد می‌شوند، درک کنند. این گونه های واکنش پذیر در مقیاس زمانی آتوثانیه پس از یونیزاسیون شکل می گیرند و نقش مهمی در علوم زیست پزشکی و هسته ای و همچنین شیمی دارند.

یکی از چالش هایی که آنها با آن مواجه شدند این بود که از خط پرتو اشعه ایکس استفاده کردند - ChemRIXS، بخشی از منبع نور منسجم Linac در آزمایشگاه شتاب دهنده ملی SLAC در منلو پارک، کالیفرنیا - برای انجام طیف‌سنجی جذبی گذرای تمام اشعه ایکس آتوثانیه‌ای، باید به طور کامل پیکربندی می‌شد. این تکنیک جدید قدرتمند مطالعه فرآیندها را در مقیاس های زمانی بسیار کوتاه ممکن می سازد.

اکنون محققان قصد دارند مطالعات خود را از آب خالص به مایعات پیچیده تر گسترش دهند. یانگ می‌گوید: «در اینجا، اجزای مختلف مولکولی می‌توانند به عنوان تله برای الکترون‌های آزاد شده عمل کنند و گونه‌های واکنش‌پذیر جدیدی تولید کنند.

آنها گزارش کار فعلی خود را در علم.

• محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. به خودت قدرت بده دسترسی به اینجا.
• PlatoAiStream. هوش وب 3 دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
• PlatoESG. کربن ، CleanTech، انرژی، محیط، خورشیدی، مدیریت پسماند دسترسی به اینجا.
• PlatoHealth. هوش بیوتکنولوژی و آزمایشات بالینی. دسترسی به اینجا.
• منبع: https://physicsworld.com/a/new-attosecond-x-ray-spectroscopy-technique-freezes-atomic-nuclei-in-place/