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短时测量世界纪录诞生,有助更好理解化学过程

短时测量世界纪录诞生,有助更好理解化学过程
2020-10-20 09:13:16 来源:科技日报

1999年,埃及化学家艾哈迈德·泽维尔因使用飞秒(10的负15次方秒)化学技术,观察到分子中的原子在化学反应中如何运动荣膺诺贝尔化学奖。日前,德国科学家在最新一期《科学》杂志撰文称首次研究了一个发生时长比飞秒短得多的过程——他们测量出光子穿过氢分子所花费的平均时间为247仄秒(zeptosecond 10的负21次方秒),这是迄今科学家成功测量的最短时间,有望帮助科学家更好地理解化学过程。

光子从氢分子的电子云中产生电子波,这些电子波相互干涉,科学家可以借此计算光子从一个原子到下一个原子所需时间。图片来源:物理学家组织网

在最新研究中,德国歌德大学莱因哈德·德勒教授领导的原子物理学家团队,用汉堡加速器设施电子同步加速器上的激光源PETRA Ⅲ发出的X射线照射氢分子,对其开展了时间测量。

研究人员解释称,光子就像两次在水面激起两股水波的鹅卵石,会在氢分子的电子云中产生电子波,这些电子波的波峰和波谷相遇时会相互抵消,形成所谓的干涉图像,他们借此可以计算电子从一个原子到下一个原子所需的时间。

在实验中,研究人员设定了X射线的能量,使一个光子足以将两个电子从氢分子中“剔出”。鉴于电子具有波粒二象性,即可以同时表现出粒子和波的特性,因此电子的喷射导致氢分子两个原子连续快速发出电子波,这两股电子波最终合并在一起,并发生干涉。

随后,研究团队使用COLTRIMS反应显微镜测量了喷射电子的干涉图像。COLTRIMS显微镜由德勒教授帮助开发,能使原子和分子内的超快反应过程清晰可见。在揭示干涉图样的同时,COLTRIMS反应显微镜还可以确定氢分子的方位。

研究人员称:“由于我们知道了氢分子的空间方位,因此我们使用两个电子波的干涉来精确计算光子分别到达两个氢原子的时间:最多为247仄秒。”

德勒补充说:“在最新研究中,我们将COLTRIMS技术扩展到了新的应用领域。我们也首次观察到,分子内的电子层不会同时与光起反应,最新测量有望帮助我们更好地理解化学过程。”

总编辑圈点

你可能听过飞秒和阿秒,但仄秒就比较冷僻了。简单类比一下,如果把1仄秒时间当成我们熟悉的一秒钟,那么真实的一秒钟又变成了多久呢?差不多要2.8亿亿年!所以说247仄秒就是如此一个货真价实的“转瞬即逝”。虽然我们不知道测到一个这么快的时间,对现实应用会有什么改变,但这至少是人类测量能力的一次飞跃性提升。而且当时间单位变得如此难以理解,我们是不是也可以一窥与时间相关的其他未知领域的衣角呢?(记者 刘霞)

责任编辑:kj005

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