טכניקת ספקטרוסקופיה חדשה של קרני רנטגן אטו-שנייה 'מקפיאה' גרעיני אטום במקומם - עולם הפיזיקה

מדענים יכולים כעת לעקוב אחר תנועת האלקטרונים והיינון של מולקולות בזמן אמת הודות לטכניקת ספקטרוסקופיה של קרני רנטגן אטו-שנייה. כמו צילום סטופ-מושן, הטכניקה למעשה "מקפיאה" את גרעין האטום במקומו, כלומר התנועה שלו אינה מטה את תוצאות המדידות על האלקטרונים השועטים סביבו. לפי מפתחי הטכניקה, ניתן להשתמש בה לא רק כדי לחקור את מבנה המולקולות, אלא גם כדי לעקוב אחר לידתם והתפתחותם של מינים תגובתיים שנוצרים באמצעות קרינה מייננת.

"התגובות הכימיות הנגרמות על ידי קרינה שאנו רוצים לחקור הן תוצאה של התגובה האלקטרונית של המטרה המתרחשת בסולם הזמן של אטושניות (10^-18 שניות)", מסביר לינדה יאנג, פיזיקאי ב המעבדה הלאומית Argonne ו אוניברסיטת שיקגו, ארה"ב, שהוביל את המחקר יחד עם רובין סנטרה של Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) ו אוניברסיטת המבורג בגרמניה שיאוסונג לי של אוניברסיטת וושינגטון, ארה"ב. "עד עכשיו, כימאים בקרינה יכלו לפתור אירועים רק בטווח הזמן של פיקושניות (10^-12 שניות), שהוא איטי פי מיליון מאשר אטושניה. זה בערך כמו להגיד 'נולדתי ואז מתתי'. אתה רוצה לדעת מה קורה בין לבין. זה מה שאנחנו מסוגלים לעשות עכשיו".

משאבה ובדיקה

הטכניקה החדשה פועלת באופן הבא. ראשית, החוקרים מפעילים דופק של קרני רנטגן אטושני עם אנרגיית פוטון של 250 וולט אלקטרונים (eV) על דגימה - של מים, במקרה זה, אם כי הצוות אומר שהטכניקה יכולה לעבוד עם מגוון רחב של מערכות חומר מעובה . דופק "שאיבה" ראשוני זה מעורר אלקטרונים מהאורביטלים החיצוניים (ערכיות) של מולקולת המים, האחראים על קשר מולקולרי ותגובות כימיות. האורביטלים הללו רחוקים יותר מגרעין האטום, ויש להם אנרגיות קישור נמוכות בהרבה מהאורביטלים "הליבה" הפנימיים: בסביבות 10-40 eV לעומת כ-500 eV. זה מאפשר ליינן אותם - תהליך המכונה יינון ערכיות - מבלי להשפיע על שאר המולקולה.

בסביבות 600 אטושניות לאחר יינון הערכיות, החוקרים יורים דופק אטושניות שני - דופק הבדיקה - לעבר הדגימה, עם אנרגיה של כ-500 eV. "השהיית הזמן הקצרה בין פעימות המשאבה והבדיקה היא אחת הסיבות לכך שלאטומי המימן עצמם אין זמן לזוז והם כמו 'קפואים'", מסביר יאנג. "זה אומר שהתנועה שלהם לא משפיעה על תוצאות המדידה."

כאשר דופק הבדיקה יוצר אינטראקציה עם החורים (המקומות הפנויים) שנותרו מאחור באורביטלים הערכיים בעקבות יינון הערכיות, חלוקת האנרגיה של הדופק משתנה. על ידי החזרת הדופק מרשת שמפזרת את חלוקת האנרגיה הזו על גלאי דו מימדי, החוקרים משיגים את מה שיאנג מכנה "תמונת מצב" או "טביעת אצבע" ספקטרלית של אלקטרונים התופסים את אורביטלי הערכיות.

מציאת פגמים בתוצאות קודמות

על ידי התבוננות בתנועת האלקטרונים המופעלים בקרני רנטגן כשהם נעים למצבים נרגשים, החוקרים חשפו פגמים בפרשנות של מדידות ספקטרוסקופיה מוקדמות של קרני רנטגן על מים. ניסויים קודמים אלה יצרו אותות קרני רנטגן שנראה כי נבעו מצורות מבניות שונות, או "מוטיבים", בדינמיקה של מים או אטומי מימן, אך סנטרה אומרת שהמחקר החדש מראה שזה לא המקרה.

"באופן עקרוני, אפשר היה לחשוב שדיוק התזמון של סוג זה של ניסוי מוגבל על ידי משך החיים (שהוא בסביבות כמה פמט-שניות, או 10^-15 שניות) של מצבי הקוונטים האלקטרוניים הנרגשים בקרני רנטגן שנוצרו", הוא אומר עולם הפיזיקה. "באמצעות חישובים קוונטיים-מכניים, לעומת זאת, הראינו שהאות הנצפה מוגבל לפחות מפמטו-שנייה. זו הסיבה שבגללה הצלחנו להראות שמדידות ספקטרוסקופיה של קרני רנטגן על מבנה מים נוזליים פורשו בעבר בצורה שגויה: בניגוד למדידות קודמות אלה, שלנו לא הושפעו מאטומי מימן נעים".

מטרות ואתגרים ניסויים

המטרה הראשונית של החוקרים הייתה להבין את מקורם של מינים תגובתיים שנוצרו כאשר קרני רנטגן וצורות אחרות של קרינה מייננת פוגעים בחומר. מינים תגובתיים אלה נוצרים בסולם זמן של אטו-שנייה לאחר יינון, והם ממלאים תפקידים חשובים במדעי הביו-רפואה והגרעין וכן בכימיה.

אחד האתגרים שהם נתקלו בהם היה שקו קרן הרנטגן שבו השתמשו - ChemRIXS, חלק לינאק מקור אור קוהרנטי ב המעבדה הלאומית לאיצטדיון SLAC במנלו פארק, קליפורניה - היה צורך להגדיר מחדש לחלוטין כדי לבצע ספקטרוסקופיה קליטה חולפת של קרני רנטגן. טכניקה חדשה ועוצמתית זו מאפשרת ללמוד תהליכים בטווחי זמן קצרים במיוחד.

החוקרים מתכננים כעת להרחיב את מחקריהם ממים טהורים לנוזלים מורכבים יותר. "כאן, המרכיבים המולקולריים השונים יכולים לשמש כמלכודות עבור האלקטרונים המשוחררים ולייצר מינים תגובתיים חדשים", אומר יאנג.

הם מדווחים על עבודתם הנוכחית ב מדע.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/new-attosecond-x-ray-spectroscopy-technique-freezes-atomic-nuclei-in-place/