नई एटोसेकंड एक्स-रे स्पेक्ट्रोस्कोपी तकनीक की बदौलत वैज्ञानिक अब वास्तविक समय में इलेक्ट्रॉनों की गति और अणुओं के आयनीकरण का अनुसरण कर सकते हैं। स्टॉप-मोशन फ़ोटोग्राफ़ी की तरह, तकनीक प्रभावी ढंग से परमाणु नाभिक को "जमा" देती है, जिसका अर्थ है कि इसकी गति इसके चारों ओर घूमने वाले इलेक्ट्रॉनों पर माप के परिणामों को खराब नहीं करती है। तकनीक के डेवलपर्स के अनुसार, इसका उपयोग न केवल अणुओं की संरचना की जांच करने के लिए किया जा सकता है, बल्कि आयनीकृत विकिरण के माध्यम से बनने वाली प्रतिक्रियाशील प्रजातियों के जन्म और विकास को ट्रैक करने के लिए भी किया जा सकता है।

"विकिरण से प्रेरित रासायनिक प्रतिक्रियाएं जिनका हम अध्ययन करना चाहते हैं, वे लक्ष्य की इलेक्ट्रॉनिक प्रतिक्रिया का परिणाम हैं जो एटोसेकंड टाइमस्केल (10) पर होती है^-18 सेकंड),'' बताते हैं लिंडा यंग, एक भौतिक विज्ञानी Argonne राष्ट्रीय प्रयोगशाला और शिकागो विश्वविद्यालय, यू.एस., जिन्होंने साथ मिलकर अनुसंधान का नेतृत्व किया रॉबिन सैंट्रा का डॉयचेस एलेक्ट्रोनन-सिंक्रोट्रॉन (DESY) और हैम्बर्ग विश्वविद्यालय जर्मनी में और ज़ियाओसॉन्ग ली का वाशिंगटन विश्वविद्यालय, हम। "अब तक, विकिरण रसायनज्ञ केवल पिकोसेकंड टाइमस्केल (10) पर घटनाओं को हल कर सकते थे^-12 सेकंड), जो एक एटोसेकंड से लाखों गुना धीमा है। यह एक तरह से यह कहने जैसा है कि 'मैं पैदा हुआ और फिर मर गया।' आप जानना चाहेंगे कि बीच में क्या होता है। अब हम यही करने में सक्षम हैं।”

पंप और जांच

नई तकनीक इस प्रकार काम करती है. सबसे पहले, शोधकर्ता इस मामले में पानी के नमूने में 250 इलेक्ट्रॉन वोल्ट (ईवी) की फोटॉन ऊर्जा के साथ एक एटोसेकंड एक्स-रे पल्स लागू करते हैं, हालांकि टीम का कहना है कि तकनीक संघनित-पदार्थ प्रणालियों की एक विस्तृत श्रृंखला के साथ काम कर सकती है। . यह प्रारंभिक "पंप" पल्स पानी के अणु के बाहरी (वैलेंस) ऑर्बिटल्स से इलेक्ट्रॉनों को उत्तेजित करता है, जो आणविक बंधन और रासायनिक प्रतिक्रियाओं के लिए जिम्मेदार हैं। ये ऑर्बिटल्स परमाणु नाभिक से दूर हैं, और उनमें आंतरिक "कोर" ऑर्बिटल्स की तुलना में बहुत कम बाध्यकारी ऊर्जा है: लगभग 10 ईवी की तुलना में लगभग 40-500 ईवी। इससे उन्हें आयनित करना संभव हो जाता है - एक प्रक्रिया जिसे वैलेंस आयनीकरण के रूप में जाना जाता है - बाकी अणु को प्रभावित किए बिना।

वैलेंस आयनीकरण के लगभग 600 एटोसेकंड के बाद, शोधकर्ता लगभग 500 ईवी की ऊर्जा के साथ नमूने पर एक दूसरा एटोसेकंड पल्स - जांच पल्स - फायर करते हैं। यंग बताते हैं, "पंप और जांच पल्स के बीच कम समय की देरी उन कारणों में से एक है कि हाइड्रोजन परमाणुओं को खुद को स्थानांतरित करने का समय नहीं मिलता है और 'जमे हुए' की तरह होते हैं।" "इसका मतलब है कि उनका आंदोलन माप परिणामों को प्रभावित नहीं करता है।"

जब जांच पल्स वैलेंस आयनीकरण के बाद वैलेंस ऑर्बिटल्स में छोड़े गए छिद्रों (रिक्तियों) के साथ संपर्क करता है, तो पल्स का ऊर्जा वितरण बदल जाता है। एक झंझरी से पल्स को प्रतिबिंबित करके जो इस ऊर्जा वितरण को दो-आयामी डिटेक्टर पर फैलाता है, शोधकर्ता वह प्राप्त करते हैं जिसे यंग वैलेंस ऑर्बिटल्स पर कब्जा करने वाले इलेक्ट्रॉनों का वर्णक्रमीय "स्नैपशॉट" या "फिंगरप्रिंट" कहता है।

पहले के नतीजों में खामियां ढूंढ रहे हैं

एक्स-रे-ऊर्जावान इलेक्ट्रॉनों की गति को देखकर जब वे उत्तेजित अवस्था में जाते हैं, शोधकर्ताओं ने पानी पर पहले के एक्स-रे स्पेक्ट्रोस्कोपी माप की व्याख्या में खामियों को उजागर किया। इन पहले प्रयोगों ने एक्स-रे सिग्नल उत्पन्न किए जो पानी या हाइड्रोजन परमाणुओं की गतिशीलता में विभिन्न संरचनात्मक आकृतियों, या "रूपांकनों" से उत्पन्न हुए प्रतीत होते थे, लेकिन सैंट्रा का कहना है कि नए अध्ययन से पता चलता है कि यह मामला नहीं है।

"सिद्धांत रूप में, कोई यह सोच सकता है कि इस प्रकार के प्रयोग की समय सटीकता जीवनकाल तक सीमित है (जो कि कुछ फेमटोसेकंड या 10 के आसपास है)^-15 सेकंड) एक्स-रे-उत्तेजित इलेक्ट्रॉनिक क्वांटम अवस्थाओं का उत्पादन होता है,'' वह बताते हैं भौतिकी की दुनिया. “हालांकि, क्वांटम-मैकेनिकल गणनाओं के माध्यम से, हमने दिखाया कि देखा गया संकेत एक फेमटोसेकंड से भी कम तक सीमित है। यही कारण है कि हम यह दिखाने में सक्षम थे कि तरल पानी की संरचना पर एक्स-रे स्पेक्ट्रोस्कोपी माप की पहले गलत व्याख्या की गई थी: इन पहले के मापों के विपरीत, हमारे माप हाइड्रोजन परमाणुओं को हिलाने से प्रभावित नहीं थे।

प्रायोगिक लक्ष्य और चुनौतियाँ

शोधकर्ताओं का प्रारंभिक लक्ष्य एक्स-रे और अन्य प्रकार के आयनकारी विकिरण के पदार्थ पर प्रभाव पड़ने पर निर्मित प्रतिक्रियाशील प्रजातियों की उत्पत्ति को समझना था। ये प्रतिक्रियाशील प्रजातियाँ आयनीकरण के बाद एटोसेकंड समय पैमाने पर बनती हैं, और वे जैव चिकित्सा और परमाणु विज्ञान के साथ-साथ रसायन विज्ञान में भी महत्वपूर्ण भूमिका निभाती हैं।

उनके सामने आने वाली चुनौतियों में से एक यह थी कि उन्होंने जिस एक्स-रे बीमलाइन का उपयोग किया था - केमरिक्स, का हिस्सा Linac सुसंगत प्रकाश स्रोत पर SLAC राष्ट्रीय त्वरक प्रयोगशाला मेनलो पार्क, कैलिफ़ोर्निया में - ऑल-एक्स-रे एटोसेकंड क्षणिक अवशोषण स्पेक्ट्रोस्कोपी करने के लिए पूरी तरह से पुन: कॉन्फ़िगर किया जाना था। यह शक्तिशाली नई तकनीक बेहद कम समय के पैमाने पर प्रक्रियाओं का अध्ययन करना संभव बनाती है।

शोधकर्ता अब अपने अध्ययन को शुद्ध पानी से लेकर अधिक जटिल तरल पदार्थों तक विस्तारित करने की योजना बना रहे हैं। यंग कहते हैं, "यहाँ, विभिन्न आणविक घटक मुक्त इलेक्ट्रॉनों के लिए जाल के रूप में कार्य कर सकते हैं और नई प्रतिक्रियाशील प्रजातियाँ पैदा कर सकते हैं।"

वे अपने वर्तमान कार्य की रिपोर्ट करते हैं विज्ञान.

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• स्रोत: https://physicsworld.com/a/new-attosecond-x-ray-spectroscopy-technique-freezes-atomic-nuclei-in-place/