Новини науки

Американські вчені змогли отримати енергетичний образ руху електрона навколо атома водню в краплі води ще до того, як атом почав рухатися. До цього часу вчені не мали інструментів для подібної деталізації процесів у речовині, що розкриє більше деталей про фізику та хімію багатьох процесів і, особливо, про радіаційний вплив на живі клітини.

В експерименті, віддалено схожому на зйомку уповільненого відео, вчені виділили енергетичний рух електрона, одночасно «заморозивши» рух набагато більшого атома, навколо якого обертався цільовий електрон, зробивши це у зразку звичайної рідкої води. Про свою роботу вчені повідомили у статті в журналі Science. Робота в основному була спрямована на вивчення високоенергетичного випромінювання на живі клітини, що потрібне для космосу, радіотерапії пухлин і не тільки.

"Хімічні реакції, викликані випромінюванням, які ми хочемо вивчити, є результатом електронного відгуку мішені, який відбувається в аттосекундному масштабі часу", — пояснила Лінда Янг (Linda Young), старший автор роботи та заслужений науковий співробітник Аргонського національної лабораторії. — Досі радіохіміки могли визначати події лише в пікосекундному масштабі часу, що в мільйон разів повільніше за аттосекунду. Це все одно, що сказати "я народився, а потім помер". Ви хотіли б знати, що відбувається у проміжку? Це те, що ми зараз можемо зробити".

Щоб досягти результату, міжвідомча група вчених із кількох національних лабораторій Міністерства енергетики США, а також університетів США та Німеччини об’єднала експерименти та теорію, щоб у режимі реального часу виявити наслідки впливу іонізуючого випромінювання від джерела рентгенівського випромінювання на речовину. Дослідження проводилося за підтримки Центру прикордонних енергетичних досліджень міжфазної динаміки в радіоактивних середовищах та матеріалах (IDREAM), з фінансовою підтримкою Міністерства енергетики США у штаб-квартирі Тихоокеанської Північно-Західної національної лабораторії (PNNL).

Не секрет, що субатомні частинки, наприклад електрони, рухаються так швидко, що для фіксації їх дій потрібен датчик, здатний вимірювати час в аттосекундах. Це настільки швидко (або мало), що в кожній секунді, наприклад, більше аттосекунд, ніж минуло секунди за всю історію Всесвіту.

Проведене авторами дослідження спирається на відкриття та створення аттосекундних рентгенівських лазерів на вільних електронах, за що минулого року, зокрема, було присуджено Нобелівську премію з фізики. Національна прискорювальна лабораторія SLAC має джерело такого світла (LCLS), чим скористалися експериментатори.

Як тестовий зразок для експерименту було обрано звичайну рідку воду. Перший аттосекундний імпульс збуджував електрони, а другий вимірював відгук. Це дозволило відреагувати датчикам настільки швидко, що збуджений стан електрона проявив себе ще до того, як центральний атом водню в молекулі почав рухатися. Раніше в процесі такого спостереження за допомогою імпульсів більшої тривалості картина була настільки змащеною, що вчені припускали існування ряду проміжних станів. Аттосекундний лазер показав, що проміжних станів немає — це все міражі чи перешкоди.

"Тепер у нас є інструмент, за допомогою якого, в принципі, ви можете стежити за рухом електронів і бачити щойно іонізовані молекули в міру їх утворення в режимі реального часу", — резюмували автори дослідження.