يمكن للعلماء الآن متابعة حركة الإلكترونات وتأين الجزيئات في الوقت الفعلي بفضل تقنية التحليل الطيفي للأشعة السينية الجديدة بالأتوثانية. مثل التصوير الفوتوغرافي المتوقف عن الحركة، تعمل هذه التقنية على "تجميد" النواة الذرية في مكانها بشكل فعال، مما يعني أن حركتها لا تؤدي إلى تحريف نتائج القياسات على الإلكترونات التي تدور حولها. ووفقا لمطوري هذه التقنية، فإنه يمكن استخدامها ليس فقط لاستكشاف بنية الجزيئات، ولكن أيضا لتتبع ولادة وتطور الأنواع التفاعلية التي تتشكل عن طريق الإشعاع المؤين.
"إن التفاعلات الكيميائية الناجمة عن الإشعاع والتي نرغب في دراستها هي نتيجة الاستجابة الإلكترونية للهدف التي تحدث على نطاق زمني الأتو ثانية (10-18 ثواني) "، يوضح ليندا يونغ، عالم فيزياء في مختبر أرجون الوطني و جامعة شيكاغو، الولايات المتحدة، الذي شارك في قيادة البحث مع روبن سانترا ل الألمانية إلكترون-سينكروترون (DESY) و جامعة هامبورغ في ألمانيا و شياو سونغ لي ل جامعة واشنطن، نحن. "حتى الآن، لم يتمكن الكيميائيون الإشعاعيون من حل الأحداث إلا في نطاق زمني بيكو ثانية (10-12 ثانية)، وهي أبطأ بمليون مرة من الأتو ثانية. إنه مثل قول "لقد ولدت ثم مت". ترغب في معرفة ما يحدث بينهما. وهذا ما نحن الآن قادرون على القيام به."
مضخة ومسبار
التقنية الجديدة تعمل على النحو التالي. أولاً، طبق الباحثون نبضة من الأشعة السينية بأتوثانية مع طاقة فوتون تبلغ 250 إلكترون فولت (eV) على عينة من الماء، في هذه الحالة، على الرغم من أن الفريق يقول إن التقنية يمكن أن تعمل مع مجموعة واسعة من أنظمة المواد المكثفة. . تعمل نبضة "المضخة" الأولية هذه على إثارة الإلكترونات من المدارات الخارجية (التكافؤ) لجزيء الماء، المسؤولة عن الترابط الجزيئي والتفاعلات الكيميائية. هذه المدارات أبعد عن النواة الذرية، ولديها طاقات ربط أقل بكثير من المدارات "الأساسية" الداخلية: حوالي 10-40 فولت مقارنة بحوالي 500 فولت. وهذا يجعل من الممكن تأينها - وهي عملية تعرف باسم تأين التكافؤ - دون التأثير على بقية الجزيء.
بعد حوالي 600 أتو ثانية من تأين التكافؤ، أطلق الباحثون نبضة أتو ثانية ثانية - نبض المسبار - على العينة، بطاقة تبلغ حوالي 500 فولت. يوضح يونج: "إن التأخير الزمني القصير بين نبضات المضخة والمسبار هو أحد الأسباب التي تجعل ذرات الهيدروجين نفسها لا تملك الوقت للتحرك وتكون مثل "المجمدة". "وهذا يعني أن حركتهم لا تؤثر على نتائج القياس."
عندما يتفاعل نبض المسبار مع الثقوب (الشواغر) التي تركت في مدارات التكافؤ بعد تأين التكافؤ، يتغير توزيع طاقة النبض. ومن خلال عكس النبض من الشبكة التي تشتت توزيع الطاقة هذا على كاشف ثنائي الأبعاد، يحصل الباحثون على ما يسميه يونج "لقطة" طيفية أو "بصمة" للإلكترونات التي تشغل مدارات التكافؤ.
اكتشاف العيوب في النتائج السابقة
ومن خلال مراقبة حركة الإلكترونات النشطة بالأشعة السينية أثناء انتقالها إلى حالات مثارة، كشف الباحثون عن عيوب في تفسير قياسات التحليل الطيفي السابقة للأشعة السينية على الماء. أنتجت هذه التجارب السابقة إشارات أشعة سينية يبدو أنها تنبع من أشكال هيكلية مختلفة، أو "زخارف"، في ديناميكيات ذرات الماء أو الهيدروجين، لكن سانترا يقول إن الدراسة الجديدة تظهر أن الأمر ليس كذلك.
"من حيث المبدأ، كان يمكن للمرء أن يعتقد أن دقة توقيت هذا النوع من التجارب محدودة بالعمر (الذي يبلغ حوالي بضع فيمتو ثانية، أو 10).-15 ثانية) من الحالات الكمومية الإلكترونية المثارة بالأشعة السينية عالم الفيزياء. "ومع ذلك، فمن خلال حسابات ميكانيكا الكم، أظهرنا أن الإشارة المرصودة تقتصر على أقل من الفيمتو ثانية. وهذا هو السبب الذي جعلنا قادرين على إظهار أن قياسات التحليل الطيفي للأشعة السينية على بنية الماء السائل قد أسيء تفسيرها سابقًا: على عكس هذه القياسات السابقة، لم تتأثر قياساتنا بتحريك ذرات الهيدروجين.
الأهداف والتحديات التجريبية
كان الهدف الأولي للباحثين هو فهم أصل الأنواع التفاعلية التي تنشأ عندما تصطدم الأشعة السينية وغيرها من أشكال الإشعاع المؤين بالمادة. تتشكل هذه الأنواع التفاعلية على نطاق زمني الأتوثانية بعد التأين، وتلعب أدوارًا مهمة في العلوم الطبية الحيوية والنووية وكذلك الكيمياء.
يُقال أن نبضات الإلكترون أتو ثانية هي الأقصر على الإطلاق
كان أحد التحديات التي واجهوها هو أن خط شعاع الأشعة السينية الذي استخدموه - كيمريكسس، وهي جزء من مصدر ضوء متماسك Linac في مختبر تسريع SLAC الوطني في مينلو بارك، كاليفورنيا - كان لا بد من إعادة تشكيلها بالكامل لإجراء التحليل الطيفي للامتصاص العابر للأشعة السينية بالكامل في الأتوثانية. هذه التقنية الجديدة القوية تجعل من الممكن دراسة العمليات على نطاقات زمنية قصيرة للغاية.
ويخطط الباحثون الآن لتوسيع دراساتهم من الماء النقي إلى السوائل الأكثر تعقيدًا. يقول يونج: "هنا، يمكن للمكونات الجزيئية المختلفة أن تعمل كمصائد للإلكترونات المحررة وتنتج أنواعًا تفاعلية جديدة".
يبلغون عن عملهم الحالي في علوم.
- محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
- أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
- أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
- أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
- المصدر https://physicsworld.com/a/new-attosecond-x-ray-spectroscopy-technique-freezes-atomic-nuclei-in-place/
