Замороженные атомы и возбужденные электроны: как ученые впервые наблюдали движение электронов в жидкой воде

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

Вода — самая распространенная и важная жидкость на Земле. Она состоит из молекул, которые, в свою очередь, состоят из атомов и электронов. Атомы — это крошечные частицы, которые образуют ядро молекулы, а электроны — это еще более мелкие частицы, которые вращаются вокруг ядра. Движение этих частиц определяет свойства и поведение воды, а также ее реакцию на воздействие различных видов излучения.

Изучение воды на уровне атомов и электронов представляет большой интерес для науки, так как может помочь понять, как происходят химические реакции, вызванные излучением, например, в космосе, в медицине, в ядерной энергетике и в экологии. Однако, измерить движение электронов в жидкой воде очень сложно, так как они движутся с невероятной скоростью, а атомы, вокруг которых они вращаются, также постоянно колеблются и смещаются. Для того, чтобы захватить эти быстрые процессы, нужен особый инструмент, способный измерять время в аттосекундах — это настолько маленькие единицы времени, что в одной секунде их больше, чем самих секунд в истории вселенной.

Недавно группа ученых из нескольких научных учреждений США и Германии совершила прорыв в этой области, используя новую технику, которая позволила им «заморозить» движение атомов и «посмотреть» на электроны в жидкой воде. Их результаты были опубликованы в журнале Science и получили широкий резонанс в научном сообществе.

Как это работает?

Для своего эксперимента ученые использовали источник когерентного рентгеновского излучения линейного ускорителя (LCLS), расположенный в национальной лаборатории ускорителей SLAC в Калифорнии. Это одна из немногих установок в мире, которая может генерировать аттосекундные импульсы рентгеновских лучей — то есть импульсы, длительность которых составляет всего несколько аттосекунд. Рентгеновские лучи — это вид электромагнитного излучения, которое имеет очень высокую энергию и может проникать сквозь различные материалы, в том числе сквозь жидкую воду.

Ученые использовали синхронизированную пару аттосекундных рентгеновских импульсов (на фото розовый и зеленый) от рентгеновского лазера на свободных электронах, чтобы изучить энергетический отклик электронов (желтый) в жидкой воде в аттосекундном масштабе времени, в то время как атомы водорода (белый) и кислорода (красный) «заморожены» во времени
Ученые использовали синхронизированную пару аттосекундных рентгеновских импульсов (на фото розовый и зеленый) от рентгеновского лазера на свободных электронах, чтобы изучить энергетический отклик электронов (желтый) в жидкой воде в аттосекундном масштабе времени, в то время как атомы водорода (белый) и кислорода (красный) «заморожены» во времени
Автор: Nathan Johnson, Pacific Northwest National Laboratory Источник: phys.org

Ученые направили два импульса рентгеновских лучей на тонкую струю жидкой воды, распыляемую в вакуумной камере. Первый импульс, называемый насосом, служил для возбуждения электронов в молекулах воды, то есть для перевода их на более высокий уровень энергии. Второй импульс, называемый зондом, служил для измерения состояния электронов после возбуждения, то есть для получения спектра поглощения рентгеновского излучения водой. Временной интервал между насосом и зондом был настолько мал, что атомы воды не успели сдвинуться с места, а значит, не мешали наблюдению за электронами.

Таким образом, ученые смогли «заморозить» движение атомов и «увидеть» электроны в жидкой воде, а также отследить, как они меняют свое состояние под воздействием рентгеновского излучения. Это было сделано впервые в истории науки.

Чтобы зафиксировать движение электронов, возбуждаемых рентгеновским излучением, ученые создают тонкую, шириной примерно 1 сантиметр, струю жидкой воды в качестве мишени для рентгеновского пучка
Чтобы зафиксировать движение электронов, возбуждаемых рентгеновским излучением, ученые создают тонкую, шириной примерно 1 сантиметр, струю жидкой воды в качестве мишени для рентгеновского пучка
Автор: Emily Nienhuis, Pacific Northwest National Laboratory Источник: phys.org

Зачем это нужно?

Эксперимент ученых не только демонстрирует новую технику, которая позволяет изучать воду на атомном и электронном уровне, но и разрешает давний научный спор о структуре жидкой воды. Ранее некоторые исследователи предполагали, что в воде существуют две различные структурные формы или «мотивы» — одна с четырьмя водородными связями между молекулами, а другая с двумя. Они опирались на рентгеновские сигналы, которые наблюдали в своих экспериментах, и считали, что они отражают разницу между этими двумя мотивами. Однако, новый эксперимент показал, что эти сигналы не связаны со структурой воды, а вызваны движением атомов водорода, которое было устранено в аттосекундном измерении. Таким образом, ученые подтвердили, что в окружающей жидкой воде нет двух структурных мотивов, а есть только одна динамическая структура, которая постоянно меняется из-за теплового движения молекул.

Это важное открытие для понимания свойств и поведения воды, а также ее реакции на воздействие различных видов излучения. Вода — это не только жизненно необходимая жидкость для всех живых организмов, но и важный компонент многих технологических процессов, таких как ядерная энергетика, лазерная физика, нанотехнологии и другие. Знание того, как вода реагирует на излучение, может помочь решать различные научные и практические задачи, связанные с безопасностью, эффективностью и экологией этих процессов.

Как это поможет науке и обществу?

Эксперимент ученых не только открывает новые горизонты для изучения воды, но и создает перспективы для применения аттосекундной науки к другим жидкостям и растворам, которые также играют важную роль в природе и технологии. Например, ученые планируют использовать свою технику для изучения концентрированных растворов, содержащихся в ядерных отходах, которые представляют собой сложную смесь различных химических веществ, подверженных длительному воздействию ионизирующего излучения. Понимание того, как происходят химические реакции в этих растворах, может помочь разработать более эффективные и безопасные способы обращения с ядерными отходами и защиты окружающей среды.

Кроме того, аттосекундная наука может быть использована для изучения других фундаментальных вопросов физики и химии, таких как динамика связывания и разрыва молекул, формирование и распад комплексов и кластеров, перенос заряда и энергии в молекулярных системах и другие. Эти процессы лежат в основе многих явлений и технологий, таких как фотосинтез, лазеры, солнечные батареи, каталитические реакции и другие. Аттосекундная наука может помочь раскрыть секреты этих процессов и улучшить их эффективность и контроль.

Таким образом, новая техника, разработанная учеными, является мощным инструментом для исследования воды и других жидкостей на атомном и электронном уровне, а также для понимания химических реакций, вызванных излучением. Это может принести большую пользу для науки и общества, а также стимулировать дальнейший прогресс в аттосекундной науке.

1 комментарий

1
Прочитал первоисточник.
Первый Импульс возбуждает электроны в молекуле воды.
Второй Импульс Ионизирует молекулы (переход электрона в непрерывный спектр)
Время между импульсами подобрано так чтобы молекула не успела перейти из возбужденного состояния в основное (при этом излучаются гамма кванты, и возможен оже — эффект с излучением электронов).
Теперь они измеряют спектр ионизационных электронов в условиях вакуума и их тонкой струи воды. Но их модель не имеет никакого отношения к реальной жидкости не имеет. Реально — это позволит сравнить мульти конфигурационные теоретические расчёты изолированных молекул с экспериментом

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Зачем самка богомола съедает самца после спаривания: жестокий инстинкт или способ выживания?

Богомолы известны необычным поведением во время размножения: самка иногда съедает самца прямо во время спаривания или сразу после него. Эта особенность давно стала одним из самых известных примеров...

Почему в Нигерии строят дома из пластиковых бутылок

В рамках проектов по защите экологии в Нигерии уже несколько лет используют в строительстве пластиковые бутылки, которые обычно отправляют на свалку. Практику ранее применяли рядом с городом...

История Як-24: как сложилась судьба советского «летающего вагона»

У Як-24 не было привычного хвостового винта. Вместо него над длинным фюзеляжем вращались два больших несущих винта: один впереди, другой сзади. Внутри находилась просторная кабина для солдат и...

Учёный годами убирал морских звёзд с одного участка берега — простой эксперимент изменил представление об экосистемах

В начале 1960-х эколог Роберт Пейн выбрал на тихоокеанском побережье штата Вашингтон небольшой участок скалистого берега и начал делать с ним вещь, которая со стороны выглядела почти бессмысленно....

Обзор AOHI Future AI 280W (AOC-C022): настольная 6-портовая GaN-зарядка с честными 240 Вт (48В) на одном порту и без троттлинга

Мощных многопортовых зарядок сейчас хватает, но у большинства заявленные 250-300 Вт существуют только на коробке: через 10-15 минут нагрузки они сбрасывают мощность. AOHI AOC-C022 заявляет 280 Вт...