Международной команде удалось выбросить больше электронов из атомной оболочки ксенона с помощью одной рентгеновской вспышки, чем считалось возможным ранее. Таким образом, они отделили от ксенона в общей сложности 36 электронов, в соответствии с предыдущими теоретическими подходами их должно было быть только 26. Как сообщают исследователи в журнале Nature Photonics, это им удалось сделать с помощью мощного рентгеновского лазера, который вызвал резонанс в используемом диапазоне энергий.
Если атом теряет электроны, он приобретает положительный электрический заряд - ионизируется. Эта ионизация тем сильнее, чем больше электронов вырвано из атома. Исследователи под руководством Дэниела Роллеса из CFEL (Центра науки о лазерах на свободных электронах) бомбардировали атомы благородного газа ксенона интенсивными вспышками рентгеновского лазера. При напряжении 1,5 килоэлектронвольт (1,5 кэВ) легкие частицы (фотоны) используемого рентгеновского излучения имели примерно в тысячу раз больше энергии, чем видимый свет. Если такой высокоэнергетический фотон сталкивается с электроном в ксеноновой атомной оболочке, он передает свою энергию электрону. Этим ударом электрон может быть вытолкнут из атомной оболочки - в зависимости от того, насколько прочно он связан.
Математически невозможно до сих пор
В зависимости от используемой энергии до 26 из 54 электронов благородного газа могут быть выброшены, остальные слишком сильно связаны. Однако на самом деле ученые наблюдали, что из атомов вылетало до 36 электронов. «Насколько нам известно, это самая высокая ионизация, которая когда-либо достигалась в атоме с помощью одного электромагнитного импульса», - подчеркивает Роллес, который в будущем возглавит младшую исследовательскую группу Гельмгольца в DESY.«Наше наблюдение показывает, что существующие теоретические подходы нуждаются в модификации».
"Невозможная" ионизация вызвана так называемым резонансом: в используемом диапазоне энергий электроны ксенона могут поглощать большое количество рентгеновского излучения. Одни, таким образом, транспортируются прямо из атома, другие переходят в так называемое возбужденное, т. е. более высокоэнергетическое состояние, но все еще связаны с атомом. Однако если один из этих возбужденных электронов возвращается в исходное состояние, высвобождается энергия, которая может дать другому возбужденному электрону дополнительный толчок, необходимый для того, чтобы полностью вытолкнуть его из атома. В редких случаях уже возбужденный электрон сталкивается со вторым фотоном рентгеновской вспышки и таким образом вылетает из атомной оболочки.
Только определенное количество энергии создает резонанс
«Эксперимент LCLS (Linac Coherent Light Source) привел к неожиданному и ранее недостижимому состоянию заряда путем катапультирования десятков электронов из атома», - подчеркивает соавтор Бенедикт Рудек, аспирант Heidelberg’s Max. -Институт Планка. «Поглощенная энергия на атом оказалась более чем в два раза выше ожидаемой», - продолжает он. Интересно, что эффект резонанса для ксенона оказывается особенно сильным при энергии 1,5 кэВ. Потому что при более высоких энергиях около 2 кэВ исследователи наблюдали более низкую ионизацию. Основываясь на результатах, исследователи усовершенствовали математические модели для расчета резонанса, возникающего здесь для других тяжелых атомов, а также экспериментально исследовали другие, такие как криптон.
Наблюдения также имеют практическое значение для исследований: «Например, исследователи, которые хотят создать очень сильно электрически заряженную плазму, могут использовать наши результаты», - говорит Роллес. Однако при изучении биологических образцов, которые часто содержат тяжелые атомы, ученым следует избегать резонансных областей атомов, которые могут повредить образец.