이제 과학자들은 새로운 아토초 X선 분광학 기술 덕분에 실시간으로 전자의 움직임과 분자의 이온화를 추적할 수 있습니다. 스톱모션 사진과 마찬가지로 이 기술은 원자핵을 제자리에 효과적으로 "동결"시킵니다. 즉, 원자핵의 움직임이 원자핵 주위를 윙윙거리는 전자에 대한 측정 결과를 왜곡하지 않는다는 의미입니다. 기술 개발자에 따르면, 이는 분자 구조를 조사하는 것뿐만 아니라 전리 방사선을 통해 형성되는 반응성 종의 탄생과 진화를 추적하는 데에도 사용될 수 있습니다.

“우리가 연구하려는 방사선에 의해 유발된 화학 반응은 아토초 단위로 발생하는 표적의 전자 반응의 결과입니다(10^-18 초)”라고 설명합니다. 린다 영, 물리학자 아르곤 국립 연구소 (Argonne National Laboratory) 그리고 시카고 대학, 미국과 함께 연구를 주도한 로빈 산트라 의 DESY(도이치 전자 싱크로트론) 그리고 함부르크 대학 독일과 리샤오송 의 워싱턴 대학, 우리를. “지금까지 방사선 화학자는 피코초 시간 단위(10^-12 초), 이는 아토초보다 백만 배 더 느립니다. 마치 '나는 태어났다가 죽었다'라고 말하는 것과 같습니다. 그 사이에 무슨 일이 일어나는지 알고 싶습니다. 그것이 바로 우리가 지금 할 수 있는 일입니다.”

펌프 및 프로브

새로운 기술은 다음과 같이 작동합니다. 첫째, 연구원들은 250전자볼트(eV)의 광자 에너지를 갖는 아토초 X선 펄스를 물 샘플에 적용합니다. 하지만 팀은 이 기술이 광범위한 응축 물질 시스템에서 작동할 수 있다고 말합니다. . 이 초기 "펌프" 펄스는 분자 결합과 화학 반응을 담당하는 물 분자의 외부(원자가) 궤도에서 전자를 여기시킵니다. 이 오비탈은 원자핵에서 더 멀리 떨어져 있으며 내부 "핵심" 오비탈보다 결합 에너지가 훨씬 낮습니다(약 10eV에 비해 약 40-500eV). 이를 통해 분자의 나머지 부분에 영향을 주지 않고 원자가 이온화라고 알려진 프로세스를 이온화할 수 있습니다.

원자가 이온화 후 약 600아토초 후에 연구원들은 약 500eV의 에너지로 샘플에 두 번째 아토초 펄스(프로브 펄스)를 발사합니다. "펌프와 프로브 펄스 사이의 짧은 시간 지연은 수소 원자 자체가 이동할 시간이 없고 '동결'된 것과 같은 이유 중 하나입니다."라고 Young은 설명합니다. "이것은 움직임이 측정 결과에 영향을 미치지 않는다는 것을 의미합니다."

프로브 펄스가 원자가 이온화 후 원자가 궤도에 남겨진 정공(빈 공간)과 상호 작용할 때 펄스의 에너지 분포가 변경됩니다. 이 에너지 분포를 2차원 검출기로 분산시키는 격자의 펄스를 반사함으로써 연구원들은 Young이 원자가 궤도를 차지하는 전자의 스펙트럼 "스냅샷" 또는 "지문"이라고 부르는 것을 얻습니다.

이전 결과에서 결함 찾기

연구진은 X선 에너지를 받은 전자가 여기 상태로 이동할 때의 움직임을 관찰함으로써 물에 대한 초기 X선 분광학 측정 해석의 결함을 발견했습니다. 이러한 초기 실험에서는 물이나 수소 원자의 역학에서 서로 다른 구조적 모양 또는 "모티프"에서 비롯되는 것처럼 보이는 X선 신호가 생성되었지만 Santra는 새로운 연구에서 이것이 사실이 아님을 보여주었다고 말합니다.

“원칙적으로 이러한 유형의 실험의 타이밍 정밀도는 수명(약 10펨토초 또는 XNUMX초)에 의해 제한된다고 생각할 수 있습니다.^-15 초) 생성된 X-선 자극 전자 양자 상태”라고 그는 말합니다. 물리 세계. “그러나 양자역학적 계산을 통해 우리는 관찰된 신호가 펨토초 미만으로 제한된다는 것을 보여주었습니다. 이것이 우리가 이전에 액체 물의 구조에 대한 X선 분광학 측정이 잘못 해석되었음을 보여줄 수 있었던 이유입니다. 이전 측정과 달리 우리의 측정은 움직이는 수소 원자의 영향을 받지 않았습니다."

실험적 목표와 과제

연구자들의 초기 목표는 X선과 다른 형태의 이온화 방사선이 물질에 충돌할 때 생성되는 반응성 종의 기원을 이해하는 것이었습니다. 이러한 반응성 종은 이온화 후 아토초 단위로 형성되며 화학은 물론 생의학, 핵과학에서 중요한 역할을 합니다.

그들이 직면한 과제 중 하나는 그들이 사용한 X선 빔라인이었습니다. 켐릭스,의 일부 Linac 일관된 광원 에 SLAC National Accelerator Laboratory 캘리포니아주 멘로파크 – 전체 X선 아토초 과도 흡수 분광학을 수행하기 위해 완전히 재구성되어야 했습니다. 이 강력한 새로운 기술을 사용하면 매우 짧은 시간 규모로 프로세스를 연구할 수 있습니다.

연구원들은 이제 순수한 물에서 더 복잡한 액체로 연구를 확장할 계획입니다. "여기서 다양한 분자 구성 요소는 자유 전자에 대한 트랩 역할을 할 수 있으며 새로운 반응성 종을 생성할 수 있습니다."라고 Young은 말합니다.

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