حرکت الکترون در آب برای اولین بار ثبت شد

دانشمندان اولین نگاه به الکترون‌ها را گزارش کرده‌اند که در لحظه در آب مایع حرکت می‌کنند. این یافته‌ها زمینه جدیدی از فیزیک تجربی را مهیا می‌کنند.

به نقل از اس‌دی، دانشمندان در آزمایشی شبیه به عکاسی استاپ موشن، حرکت پرانرژی یک الکترون را در حالی که در نمونه‌ای از آب مایع می‌چرخد، ثبت کردند.

این یافته‌ها که در مجله ساینس(Science) گزارش شده است، دریچه جدیدی را به ساختار الکترونیکی مولکول‌ها در حالت مایع ارائه می‌دهد که قبلاً با پرتوی ایکس قابل دستیابی نبود.

این تکنیک جدید واکنش الکترونیکی فوری را هنگامی که یک هدف با پرتوی ایکس مورد اصابت قرار می‌گیرد، نشان می‌دهد که گام مهمی در درک تأثیرات قرار گرفتن در معرض تشعشع بر اشیاء و افراد است.

لیندا یانگ، نویسنده ارشد این پژوهش و پژوهشگر برجسته در آزمایشگاه ملی آرگون لیندا یانگ و استاد گروه فیزیک و موسسه جیمز فرانک در شیکاگو می‌گوید: واکنش‌های شیمیایی ناشی از تشعشع که می‌خواهیم مطالعه کنیم، نتیجه پاسخ الکترونیکی هدف است که در مقیاس زمانی آتوثانیه اتفاق می‌افتد.

وی افزود: تاکنون شیمیدان‌های تشعشع فقط می‌توانستند رویدادها را در مقیاس زمانی پیکوثانیه که میلیون‌ها برابر کندتر از یک اتوثانیه است، حل و فصل کنند. مثل این است که بگویید من متولد شدم و بعد مُردم. شما دوست دارید بدانید در این بین چه اتفاقی می‌افتد. این همان چیزی است که ما اکنون قادر به انجام آن هستیم.

اَتوثانیه یک واحد اس‌آی برابر با ۱۰ به توان منفی ۱۸ ثانیه است. نسبت یک اتوثانیه به یک ثانیه مانند نسبت یک ثانیه به ۳۱٫۷۱ میلیارد سال یا دو برابر عمر جهان است.

وی ادامه داد: روشی که ما توسعه دادیم امکان مطالعه گونه‌های واکنش‌پذیر تولید شده توسط فرآیندهای ناشی از تشعشع، مانند مواجهه با سفرهای فضایی، درمان‌های سرطان، رآکتورهای هسته‌ای و زباله‌های قدیمی را فراهم می‌کند.

یک گروه از دانشمندان از چندین آزمایشگاه ملی وزارت انرژی و دانشگاه در ایالات متحده و آلمان، آزمایش‌ها و نظریه‌ها را با هم ترکیب کردند تا عواقب ناشی از برخورد پرتوهای یونیزه از منبع پرتوی ایکس به ماده را در لحظه آشکار کنند.

کار بر روی مقیاس‌های زمانی که در آن این عمل اتفاق می‌افتد، به تیم تحقیقاتی اجازه می‌دهد تا شیمی پیچیده ناشی از تشعشع را عمیق‌تر درک کند. در واقع، این پژوهشگران در ابتدا گرد هم آمدند تا ابزارهای مورد نیاز برای درک تأثیر قرار گرفتن طولانی مدت در معرض پرتوهای یونیزه بر مواد شیمیایی موجود در زباله‌های هسته‌ای را توسعه دهند.

شیمیدان کارولین پیرس  از اعضای این تیم پژوهشی می‌گوید: اعضای شبکه اولیه ما در آزمایش شرکت کردند و سپس به تیم‌های تجربی و نظری کامل ما پیوستند تا داده‌ها را تجزیه و تحلیل و درک کنند.

از جایزه نوبل تا میدان عمل

ذرات زیر اتمی آنقدر سریع حرکت می‌کنند که ثبت اعمال آنها به کاوشگری نیاز دارد که بتواند زمان را بر حسب آتوثانیه اندازه‌گیری کند. این چارچوب زمانی به قدر کوچک است که برای درک آن باید گفت تعداد آتوثانیه‌ها در هر یک ثانیه بیشتر از تعداد تمام ثانیه‌هایی است که در تاریخ جهان تاکنون گذشته است.

تحقیقات کنونی بر اساس علم جدید فیزیک آتوثانیه است که با جایزه نوبل فیزیک ۲۰۲۳ شناخته شده است. پالس‌های پرتوی ایکس اتوثانیه‌ای فقط در تعداد معدودی از مراکز تخصصی در سرتاسر جهان در دسترس هستند.

این تیم تحقیقاتی کار آزمایشی خود را در منبع نور منسجم LCLS واقع در آزمایشگاه شتاب دهنده ملی SLAC در کالیفرنیا انجام داد، جایی که تیم محلی در توسعه لیزرهای الکترون آزاد پرتوی ایکس آتوثانیه‌ای پیشگام است.

آگو مارینلی از آزمایشگاه ملی شتاب دهنده SLAC که همراه با جیمز کریان، توسعه جفت همگام آتوثانیه پرتوی ایکس را رهبری کردند، می‌گوید: آزمایش‌های در مقیاس آتوثانیه یکی از پیشرفت‌های شاخص تحقیق و توسعه در منبع نور منسجم Linac است. این هیجان انگیز است که ببینیم این پیشرفت‌ها در انواع جدیدی از آزمایش‌ها اعمال می‌شوند و علم اتوثانیه را به مسیرهای جدیدی می‌برند.

تکنیک توسعه‌یافته در این مطالعه طیف‌سنجی جذب گذرای پرتوی ایکس آتوثانیه‌ای در مایعات نام دارد که به پژوهشگران این امکان را می‌دهد تا الکترون‌هایی را که توسط پرتوهای ایکس انرژی می‌گیرند، در حالی که به حالت برانگیخته حرکت می‌کنند و قبل از اینکه هسته اتمی حجیم‌تر زمانی برای حرکت داشته باشد، تماشا کنند. آنها آب مایع را به عنوان مورد آزمایشی خود برای آزمایش انتخاب کردند.

یانگ می‌گوید: ما اکنون ابزاری داریم که در اصل با آن می‌توانید حرکت الکترون‌ها را دنبال کنید و مولکول‌های تازه یونیزه‌شده را همانطور که در لحظه تشکیل می‌شوند، ببینید.

این یافته‌های گزارش‌شده جدید، یک بحث علمی طولانی‌مدت در مورد اینکه آیا سیگنال‌های پرتوی ایکس که در آزمایش‌های قبلی مشاهده شده‌اند، نتیجه اشکال ساختاری مختلف یا نقوش دینامیک آب یا اتم هیدروژن هستند را حل می‌کند. این آزمایش‌ها به‌طور قطعی نشان می‌دهند که آن سیگنال‌ها شواهدی برای دو نقش ساختاری در آب مایع محیطی نیستند.

یانگ افزود: اساساً آنچه در آزمایش‌های قبلی دیده می‌شد، تاری ناشی از حرکت اتم‌های هیدروژن بود. ما توانستیم با انجام تمام ضبط‌هایمان قبل از اینکه اتم‌ها زمان حرکت داشته باشند، آن حرکت را از مشاهدات خود حذف کنیم.

از واکنش‌های ساده تا پیچیده

پژوهشگران مطالعه حاضر را به عنوان آغاز یک رویه کاملا جدید برای علم آتوثانیه تصور می‌کنند.

در طول همه‌گیری جهانی کووید-۱۹ در سال ۲۰۲۱ تا سال ۲۰۲۲، این تیم از تکنیک‌های توسعه‌یافته در SLAC برای پاشیدن ورقه‌ای بسیار نازک از آب خالص در سراسر مسیر پالس پمپ پرتوی ایکس استفاده کرد.

امیلی نینهویس شیمیدانی که در این مطالعه مشارکت داشته می‌گوید: ما به یک صفحه آب خالص، صاف و نازک نیاز داشتیم که بتوانیم پرتوی ایکس را متمرکز کنیم. این قابلیت در LCLS توسعه یافته است. این تکنیک همچنین می‌تواند برای مطالعه محلول‌های متمرکز خاص استفاده شود و در مرحله بعدی تحقیق مورد بررسی قرار خواهند گرفت.

از آزمایش تا نظریه

هنگامی که داده‌های پرتوی ایکس جمع‌آوری شد، شیائوسانگ لی شیمیدان نظری و لیکسین لو دانشجوی فارغ التحصیل از دانشگاه واشنگتن دانش خود را در مورد تفسیر سیگنال‌های پرتوی ایکس برای بازتولید سیگنال‌های مشاهده شده در SLAC به کار گرفتند. سپس به رهبری رابین سانترا نظریه‌پرداز، پاسخ آب مایع به پرتوی ایکس آتوثانیه‌ای مدل‌سازی شد تا تأیید شود که سیگنال مشاهده‌شده واقعاً محدود به مقیاس زمانی آتوثانیه است.

لی می‌گوید: ما با استفاده از ابررایانه هیاک(Hyak) در دانشگاه واشنگتن، یک تکنیک شیمی محاسباتی پیشرفته را توسعه دادیم که توصیف دقیق حالت‌های کوانتومی گذرا پرانرژی در آب را امکان‌پذیر کرد. این پیشرفتی اساسی در درک سطح کوانتومی تبدیل شیمیایی فوق سریع، با دقت استثنایی و جزئیات در سطح اتمی به همراه داشت.

در نهایت، این تیم تحقیقاتی با هم نگاهی مستقیم و زنده به حرکت الکترون‌ها در آب مایع در حالی که بقیه چیزها ساکن بودند، انداختند.

یانگ می‌گوید: روشی که ما ایجاد کردیم، امکان مطالعه منشا و تکامل گونه‌های واکنش‌پذیر تولید شده توسط فرآیندهای ناشی از تشعشع، مانند سفرهای فضایی، درمان‌های سرطان، رآکتورهای هسته‌ای و زباله‌های هسته‌ای قدیمی را فراهم می‌کند.