Новости DESY - Рентгеновские лучи расщепляют воду быстрее, чем её электроны успевают перейти в равновесное состояние
Исследователи обнаружили ранее неизвестный механизм, в результате которого молекулы воды полностью распадаются всего за несколько фемтосекунд. Эти результаты могут помочь лучше понять химические последствия воздействия высокоэнергетического излучения.
Художественное представление взаимодействия рентгеновского излучения с молекулой воды: поглощение рентгеновского фотона может привести к полному распаду молекулы всего за несколько фемтосекунд (создано с помощью ChatGPT)
Как рентгеновское излучение меняет молекулу воды? На первый взгляд, этот вопрос может показаться чисто теоретическим. Однако поиск ответа на него помогает понять фундаментальные процессы, происходящие везде, где вода подвергается воздействию высокоэнергетического излучения — например, в атмосфере или в биологических системах.
Международная группа исследователей использовала крупные научные установки — PETRA III в центре DESY (Германия) и MAX IV (Швеция), — чтобы изучить, что происходит сразу после того, как молекула воды поглощает рентгеновский фотон. Ученые обнаружили неожиданный механизм: молекула может полностью распасться всего за несколько фемтосекунд.
Фемтосекунда — это одна квадриллионная доля секунды. Таким образом, первичная реакция молекул на высокоэнергетическое излучение происходит за невообразимо короткое время. Обычно поглощенная энергия сначала перераспределяется в ходе электронных процессов или частично высвобождается. В процессе этого молекула также может разрушиться. Теперь исследователи выявили еще один, исключительно быстрый путь распада молекулы.
Это открытие было сделано с помощью экспериментальной станции P04 на источнике рентгеновского излучения PETRA III в Гамбурге и канала пучка FlexPES на установке MAX IV в Лунде.
Чтобы понять, какие пути химических реакций запускаются под воздействием излучения, нужно прежде всего знать, какие именно частицы при этом образуются. Взаимодействие излучения с водой не ограничивается лишь первоначальными изменениями в отдельной молекуле. Образовавшиеся фрагменты могут вступать в реакции с другими частицами, запуская дальнейшие химические процессы.
Отдельные атомы кислорода обладают высокой реакционной способностью. Они играют важную роль, например, во многих процессах, протекающих в атмосфере Земли. Понимание того, какие именно частицы образуются в самые первые мгновения после поглощения энергии излучения, имеет важное значение для получения фундаментальных знаний о химических превращениях, вызванных радиацией в биологических средах, содержащих воду.
Пока что новый механизм был продемонстрирован только на отдельных молекулах воды в газовой фазе. Происходят ли столь же быстрые процессы в жидкой воде или в более сложных молекулярных средах — например, в атмосфере Земли — и при каких именно условиях, остается открытым вопросом.
Тем не менее, это открытие уже расширяет фундаментальное понимание того, что происходит при взаимодействии рентгеновского излучения с веществом. Оно также показывает, что даже такая простая и хорошо изученная молекула, как вода, все еще способна преподнести сюрпризы.
Ссылка на статью в свободном доступе:
Florian Trinter et al.: Ultrafast Dissociation of Water Producing Atomic Oxygen following Excitation above the O 1s Threshold. Physical Review Letters 137, 193002 (2026). DOI: 10.1103/c1hm-82p2