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  • 發布時間:2010-07-05 09:05 原文鏈接: 美科學家利用最強X光將電子從原子上逐個剝離

    SLAC國家加速器實驗室

    電子被剝離的示意圖(斯坦福直線加速器中心供圖)

      沒了電子的原子想必相當的孤寂。據北京時間7月2日出版的英國《自然》雜志所刊發報告稱,位于美國斯坦福直線加速器中心(SLAC)國家加速器實驗室內、迄今世界最強大的X射線激光器——直線加速器相干光源(LCLS)于6月30日發表了它自啟動以來的第一項實驗成果:其強大而獨特的能力,達到了可操縱原子樣本上單個電子的水平,從內到外逐個將電子剝離,形成了所謂的“空心原子”。

      由于體現出了X射線令人驚訝的強度與操控度,該結果讓科學界人士大為贊賞;甚至包括研究人員自己在內,直到實驗成功才真正相信,X射線已可達到如此精準之地步。

    首個硬X射線激光器

      SLAC國家加速器實驗室隸屬美國能源部,40余年來執著于對自然界基本規律的探索,以物理實驗手段揭示了許多自然界的秘密。

      2009年4月,直線加速器相干光源(LCLS)在這里成功誕生。這個巨型激光器長130米,由實驗室3公里長的直線粒子加速器提供動力,每次啟動發光裝置研究人員需花2小時。該設備制成耗時3年,而從計劃提出到完成開工準備歷時幾乎10年。

      誕生伊始,研究員第一次使用大功率X射線激光器發出直線連續光,此X射線已經比其他任何人造光源發出的脈沖亮度都要高,測試光的波長為0.15納米(nm),是當時人類創造的最短波長同時具有最大能量的光。

      此后一年時間來LCLS并未發表科研成果,但卻一直被視為激光領域“質的飛躍”或“里程碑式的杰作”。因為其完全不同于所有以前的激光器:這是國際上最早提出的第四代光源之一,亦是世界上第一個發射硬X射線的自由電子激光器。所謂硬X射線,通常定義為能量較高、波長極短的X射線。

      從原理上來看,LCLS首度結合了原子尺度空間和時間分辨率,以相干量子波的形式輸出X射線,是研究人員從以往傳統激光器發展出來的新型光源;從效果上來講,LCLS亮度能比以往光源高10億倍,產生脈沖短暫到百萬分之二納秒,為滿足各種應用需求,LCLS的輸出可以在原子、分子和光學領域的不同設備之間進行切換。科學家們預想,經過微調之后的LCLS的脈沖可幫助排列出眾多材料的內部原子結構。

    超強X射線照出“空心原子”

      原子殼層結構是關于原子內電子排布的一種簡化模型,通常原子內帶正電的密實部分集中于一個很小的核,帶負電的電子分布于核外。而內殼層空原子(亦可直稱空原子),指電子完全被剝離的原子。

      數十年來,科學家們一直想利用X射線來探測材料的原子尺度的結構,亦或將某種原子剔除內層電子看看“人走城空”的原子如何反應。LCLS無疑提供了這個機會。

      現在的LCLS輸出波長在0.15納米至1.5納米之間可調諧,輸出脈沖寬度可達80飛秒(fs),每個脈沖包含10萬億個X射線光子,作為在LCLS上完成的第一批實驗結果,“空心原子”產生了。

      研究人員選取的實驗對象是自由氖原子。在一個X射線脈沖期間,這些原子依次彈射出它們全部的10個電子,產生電子完全被剝離的氖原子,即對X射線來說是透明的、“空城”狀態的原子。

      LCLS的脈沖短暫到足以拍攝到化學反應過程中的一系列“定格”快照,亦可以對電子從原子中脫離的過程進行成像,用于觀察化學反應和沖擊波,以確立物質最基本的互動機制。

      以往從未有過如此強烈的X射線,亦無法判斷它與其他物質會產生怎樣的互動。美國能源部科學辦公室主任威廉·布林克曼表示,直到近期還很少有人相信自由電子激光器能達到如此精確的地步,這讓實驗結果顯得更不同尋常。

      LCLS項目主任約阿希姆·斯托爾的回溯讓人印象深刻,他說:“10年前,我們第一次構想LCLS實驗時,曾想過這個激光器或許能強大到足以創造出空心原子,但這在當時只是一個夢。現夢已成真。”

      盡管“光桿司令”狀的原子頗為可憐,但以此次成果為基礎,科學家將開展一種全新方法來探索原子結構和原子動力學,下一步的實驗對象包括原子團簇、納米晶體蛋白甚至某些病毒,預計未來幾個月內就可公布結果。

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