美科学家利用最强X光将电子从原子上逐个剥离

2010-7-05 09:05 来源: 科技日报
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SLAC国家加速器实验室

电子被剥离的示意图(斯坦福直线加速器中心供图)

  没了电子的原子想必相当的孤寂。据北京时间7月2日出版的英国《自然》杂志所刊发报告称,位于美国斯坦福直线加速器中心(SLAC)国家加速器实验室内、迄今世界最强大的X射线激光器——直线加速器相干光源(LCLS)于6月30日发表了它自启动以来的第一项实验成果:其强大而独特的能力,达到了可操纵原子样本上单个电子的水平,从内到外逐个将电子剥离,形成了所谓的“空心原子”。

  由于体现出了X射线令人惊讶的强度与操控度,该结果让科学界人士大为赞赏;甚至包括研究人员自己在内,直到实验成功才真正相信,X射线已可达到如此精准之地步。

首个硬X射线激光器

  SLAC国家加速器实验室隶属美国能源部,40余年来执着于对自然界基本规律的探索,以物理实验手段揭示了许多自然界的秘密。

  2009年4月,直线加速器相干光源(LCLS)在这里成功诞生。这个巨型激光器长130米,由实验室3公里长的直线粒子加速器提供动力,每次启动发光装置研究人员需花2小时。该设备制成耗时3年,而从计划提出到完成开工准备历时几乎10年。

  诞生伊始,研究员第一次使用大功率X射线激光器发出直线连续光,此X射线已经比其他任何人造光源发出的脉冲亮度都要高,测试光的波长为0.15纳米(nm),是当时人类创造的最短波长同时具有最大能量的光。

  此后一年时间来LCLS并未发表科研成果,但却一直被视为激光领域“质的飞跃”或“里程碑式的杰作”。因为其完全不同于所有以前的激光器:这是国际上最早提出的第四代光源之一,亦是世界上第一个发射硬X射线的自由电子激光器。所谓硬X射线,通常定义为能量较高、波长极短的X射线。

  从原理上来看,LCLS首度结合了原子尺度空间和时间分辨率,以相干量子波的形式输出X射线,是研究人员从以往传统激光器发展出来的新型光源;从效果上来讲,LCLS亮度能比以往光源高10亿倍,产生脉冲短暂到百万分之二纳秒,为满足各种应用需求,LCLS的输出可以在原子、分子和光学领域的不同设备之间进行切换。科学家们预想,经过微调之后的LCLS的脉冲可帮助排列出众多材料的内部原子结构。

超强X射线照出“空心原子”

  原子壳层结构是关于原子内电子排布的一种简化模型,通常原子内带正电的密实部分集中于一个很小的核,带负电的电子分布于核外。而内壳层空原子(亦可直称空原子),指电子完全被剥离的原子。

  数十年来,科学家们一直想利用X射线来探测材料的原子尺度的结构,亦或将某种原子剔除内层电子看看“人走城空”的原子如何反应。LCLS无疑提供了这个机会。

  现在的LCLS输出波长在0.15纳米至1.5纳米之间可调谐,输出脉冲宽度可达80飞秒(fs),每个脉冲包含10万亿个X射线光子,作为在LCLS上完成的第一批实验结果,“空心原子”产生了。

  研究人员选取的实验对象是自由氖原子。在一个X射线脉冲期间,这些原子依次弹射出它们全部的10个电子,产生电子完全被剥离的氖原子,即对X射线来说是透明的、“空城”状态的原子。

  LCLS的脉冲短暂到足以拍摄到化学反应过程中的一系列“定格”快照,亦可以对电子从原子中脱离的过程进行成像,用于观察化学反应和冲击波,以确立物质最基本的互动机制。

  以往从未有过如此强烈的X射线,亦无法判断它与其他物质会产生怎样的互动。美国能源部科学办公室主任威廉·布林克曼表示,直到近期还很少有人相信自由电子激光器能达到如此精确的地步,这让实验结果显得更不同寻常。

  LCLS项目主任约阿希姆·斯托尔的回溯让人印象深刻,他说:“10年前,我们第一次构想LCLS实验时,曾想过这个激光器或许能强大到足以创造出空心原子,但这在当时只是一个梦。现梦已成真。”

  尽管“光杆司令”状的原子颇为可怜,但以此次成果为基础,科学家将开展一种全新方法来探索原子结构和原子动力学,下一步的实验对象包括原子团簇、纳米晶体蛋白甚至某些病毒,预计未来几个月内就可公布结果。