科學家揭示電子在液態水中實時運動情況助力研究輻射誘導影響

美國能源部國家實驗室聯合美國和德國多所大學的科研人員在學術期刊《科學》上發表成果，首次報告了電子在液態水中實時運動的情況，這開辟了一個全新的實驗物理學領域，有助于研究由輻射誘導的過程產生的反應性物質的起源和進化。

此前，科學家嘗試揭示液相中分子的電子結構，然而，電子作為亞原子粒子，運動速度極快，傳統的X射線技術只能解析到皮秒時間尺度，無法在更精確的時間尺度上捕捉電子的運動情況。這一局限性阻礙了科學家深入理解輻射如何影響物體和生物體。而近年來新興的阿秒物理學，于2023年獲得諾貝爾物理學獎，為相關研究提供了新的技術可能性。阿秒是皮秒的百萬分之一，美國加州團隊開發的阿秒X射線自由電子激光器，可以拍攝到極速運動的電子。

科研人員使用來自該激光器的阿秒X射線脈沖，在一項類似于定格攝影的實驗中，拍攝了電子的能量運動，以及它在液態水樣本中環繞的更大原子的運動。這項研究中開發的技術——液體中的全X射線阿秒瞬態吸收光譜——使科研人員能夠在體積更大的原子核有時間移動之前，觀察到被X射線激發的電子進入激發態的過程。這些研究人員最初走到一起是為了開發必要的工具，以了解長期暴露于電離輻射對核廢料中發現的化學物質的影響。

這項研究為了解液相分子的電子結構提供了一個新的窗口，揭示了當物質受到X射線照射時的即時電子反應。作者表示，這項研究開發的方法可以研究輻射誘導過程如太空旅行、癌癥治療、核反應堆和遺留廢物產生的活性物種的起源和演變。這項研究還解決了一個長期存在的科學爭論，即在以前的實驗中看到的X射線信號是否是水或氫原子動態的不同結構模式的結果，答案是否定的。科研人員將此研究視為阿秒科學全新方向的開端。除了液態水之外，新技術也可用于研究特定的濃縮溶液，這是他們下個階段的研究目標。