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 عرصه جدیدی از فیزیک تجربی را مهیا می‌کنند.
به نقل از اس‌دی، دانشمندان در آزمایشی همانند به عکاسی استاپ موشن، حرکت پرانرژی یک الکترون را در حالی که در مثالای 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 اراعه می‌دهد که قبلاً با پرتوی ایکس قابل دستیابی نبوده است.
این تکنیک تازه عکس العمل الکترونیکی سریع را هنگامی که یک مقصد با پرتوی ایکس مورد اصابت قرار می‌گیرد، مشخص می کند که قدم مهمی در فهمیدن 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: عکس العمل‌های شیمیایی ناشی از تشعشع که می‌خواهیم مطالعه کنیم، نتیجه جواب الکترونیکی مقصد است که در مقیاس وقتی آتوثانیه اتفاق می‌افتد.
او گفت: تا بحال شیمیدان‌های تشعشع فقط می‌توانستند رویدادها را در مقیاس وقتی پیکوثانیه که میلیون‌ها برابر کندتر از یک اتوثانیه است، حل و فصل کنند. همانند این است که بگویید من متولد شدم و سپس 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 همانند نسبت یک ثانیه به ۳۱٫۷۱ میلیارد سال یا دو برابر عمر جهان است.
او همین طور گفت: روشی که ما گسترش دادیم امکان مطالعه گونه‌های عکس العمل‌پذیر تشکیل شده توسط فرآیندهای ناشی از تشعشع، همانند روبه رو 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 وقتی که در آن این عمل اتفاق می‌افتد، به تیم تحقیقاتی اجازه می‌دهد تا شیمی پیچیده ناشی از تشعشع را عمیق‌تر فهمیدن کند. در واقع، این پژوهشگران در ابتدا گرد هم آمدند تا ابزارهای مورد نیاز برای فهمیدن تأثیر قرار گرفتن طویل زمان در معرض پرتوهای یونیزه بر مواد شیمیایی حاضر در زباله‌های هسته‌ای را گسترش 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 فهمیدن 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 وقتی به قدر کوچک است که برای فهمیدن آن باید او گفت تعداد آتوثانیه‌ها در هر یک ثانیه زیاد تر از تعداد همه ثانیه‌هایی است که در تاریخ جهان تا بحال قبل است.
تحقیقات جاری بر پایه علم تازه 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 می باشند.
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 گسترش لیزرهای الکترون آزاد پرتوی ایکس آتوثانیه‌ای پیشگام است.
آگو مارینلی از آزمایشگاه ملی شتاب دهنده SLAC که همراه با جیمز کریان، گسترش جفت همگام آتوثانیه پرتوی ایکس را رهبری کردند، می‌گوید: آزمایش‌های در مقیاس آتوثانیه یکی از پیشرفت‌های شاخص تحقیق و گسترش در منبع نور منسجم Linac است. این شوق انگیز است که ببینیم این پیشرفت‌ها در انواع جدیدی از آزمایش‌ها اعمال خواهد شد و علم اتوثانیه را به مسیرهای جدیدی می‌برند.
تکنیک گسترش‌یافته 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 این که هسته اتمی حجیم‌تر وقتی برای حرکت داشته باشد، تماشا کنند. آنها آب مایع را به گفتن مورد آزمایشی خود برای آزمایش انتخاب کردند.
یانگ می‌گوید: ما اکنون ابزاری داریم که در اصل با آن می‌توانید حرکت الکترون‌ها را جستوجو کنید و مولکول‌های تازه یونیزه‌شده را همانطور که در لحظه راه اندازی خواهد شد، ببینید.
این یافته‌های گزارش‌شده تازه، یک او گفت و گو علمی طویل‌زمان در رابطه این که آیا سیگنال‌های پرتوی ایکس که در آزمایش‌های قبلی مشاهده شده‌اند، نتیجه اشکال ساختاری گوناگون یا نقوش دینامیک آب یا اتم هیدروژن می باشند را حل می‌کند. این آزمایش‌ها به‌طور قطعی نشان خواهند داد 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 می بود. ما توانستیم با انجام همه ضبط‌هایمان قبل از این که اتم‌ها زمان حرکت داشته باشند، آن حرکت را از مشاهدات خود حذف کنیم.
از عکس العمل‌های ساده تا پیچیده
پژوهشگران مطالعه حاضر را به گفتن اغاز یک رویه کاملا تازه برای علم آتوثانیه فکر می‌کنند.
در طول همه‌گیری جهانی کووید-۱۹ در سال ۲۰۲۱ تا سال ۲۰۲۲، این تیم از تکنیک‌های گسترش‌یافته در SLAC برای پاشیدن ورقه‌ای زیاد نازک از آب خالص در سراسر مسیر پالس پمپ پرتوی ایکس منفعت گیری کرد.
امیلی نینهویس شیمیدانی که در این مطالعه شراکت داشته می‌گوید: ما به یک صفحه آب خالص، صاف و نازک نیاز داشتیم که بتوانیم پرتوی ایکس را متمرکز کنیم. این قابلیت در LCLS گسترش یافته است. این تکنیک این چنین می‌تواند برای مطالعه محلول‌های متمرکز خاص منفعت گیری بشود و در مرحله بعدی تحقیق مورد بازدید 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 رابطه تفسیر سیگنال‌های پرتوی ایکس برای بازتولید سیگنال‌های مشاهده شده در SLAC به کار گرفتند. سپس به رهبری رابین سانترا نظریه‌پرداز، جواب آب مایع به پرتوی ایکس آتوثانیه‌ای مدل‌سازی شد تا قبول بشود که سیگنال مشاهده‌شده واقعاً محدود به مقیاس وقتی آتوثانیه است.
لی می‌گوید: ما با منفعت گیری از ابررایانه هیاک(Hyak) در دانشگاه واشنگتن، یک تکنیک شیمی محاسباتی پیشرفته را گسترش دادیم که توصیف دقیق حالت‌های کوانتومی گذرا پرانرژی در آب را مقدور کرد. این پیشرفتی اساسی در فهمیدن 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 تشکیل کردیم، امکان مطالعه منشا و تکامل گونه‌های عکس العمل‌پذیر تشکیل شده توسط فرآیندهای ناشی از تشعشع، همانند سفرهای فضایی، درمان‌های سرطان، رآکتورهای هسته‌ای و زباله‌های هسته‌ای قدیمی را فراهم می‌کند.