科学家揭示电子在液态水中实时运动情况助力研究辐射诱导影响

美国能源部国家实验室联合美国和德国多所大学的科研人员在学术期刊《科学》上发表成果，首次报告了电子在液态水中实时运动的情况，这开辟了一个全新的实验物理学领域，有助于研究由辐射诱导的过程产生的反应性物质的起源和进化。

此前，科学家尝试揭示液相中分子的电子结构，然而，电子作为亚原子粒子，运动速度极快，传统的X射线技术只能解析到皮秒时间尺度，无法在更精确的时间尺度上捕捉电子的运动情况。这一局限性阻碍了科学家深入理解辐射如何影响物体和生物体。而近年来新兴的阿秒物理学，于2023年获得诺贝尔物理学奖，为相关研究提供了新的技术可能性。阿秒是皮秒的百万分之一，美国加州团队开发的阿秒X射线自由电子激光器，可以拍摄到极速运动的电子。

科研人员使用来自该激光器的阿秒X射线脉冲，在一项类似于定格摄影的实验中，拍摄了电子的能量运动，以及它在液态水样本中环绕的更大原子的运动。这项研究中开发的技术——液体中的全X射线阿秒瞬态吸收光谱——使科研人员能够在体积更大的原子核有时间移动之前，观察到被X射线激发的电子进入激发态的过程。这些研究人员最初走到一起是为了开发必要的工具，以了解长期暴露于电离辐射对核废料中发现的化学物质的影响。

这项研究为了解液相分子的电子结构提供了一个新的窗口，揭示了当物质受到X射线照射时的即时电子反应。作者表示，这项研究开发的方法可以研究辐射诱导过程如太空旅行、癌症治疗、核反应堆和遗留废物产生的活性物种的起源和演变。这项研究还解决了一个长期存在的科学争论，即在以前的实验中看到的X射线信号是否是水或氢原子动态的不同结构模式的结果，答案是否定的。科研人员将此研究视为阿秒科学全新方向的开端。除了液态水之外，新技术也可用于研究特定的浓缩溶液，这是他们下个阶段的研究目标。