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世界上最强大的X射线激光产生了分子“黑洞”

X射线闪光将碘原子(右)中的许多电子击出,使其像黑洞的电磁版本一样吸收甲基(左)的电子,然后最终将它们吐出。世界上最强大的X射线激光产生了一个分子“黑洞”。

黑洞并不是吞噬其视界内一切的超大质量天体的微小版本。相反,当X射线能量瞄准一个分子时,它会剥离很多电子,从而产生一个空洞,然后以黑洞的方式吸收附近原子的所有电子。

“它基本上把所有电子从周围环境中吸走,”研究合著者塞巴斯蒂恩·布特说,加州门罗公园SLAC国家加速器实验室的物理学家。”这是一个类似于黑洞引力是如何把所有东西都吸引进来的类比,“[最亮的X射线激光在令人惊叹的视频中‘炸毁’水滴]”

分子黑洞效应的产生要感谢同类中最强烈的X射线光束-相当于将所有太阳光聚焦到一个拇指大小的点上。

强大光束

实验依赖于SLAC的Linac相干光源X射线自由电子激光器,它产生被称为硬X射线的极高能量激光脉冲。Boutet和他的同事随后用一系列的镜子将X射线能量聚焦到一个直径约100纳米的点上。(人的头发大约有70000纳米宽,其中1纳米是十亿分之一米。)

这些聚焦的激光脉冲然后照亮孤立的氙原子和碘甲烷(CH3I)和碘代苯(C6H5I)分子。这种强烈的能量被调谐,这样X射线就可以首先从碘原子最内层的能量壳层中剥离电子。(电子在原子核周围以不同能级的壳层或轨道旋转)首先,一切都按预期进行:就像弹珠一样,外层电子从最外层的电子轨道级联到最内层的壳层,在那里,它们也会被X射线脉冲射出。

虽然戏剧性,但最初的过程是预料之中的。然而,X射线脉冲不仅耗尽了碘电子的外壳:碘原子通常包含53个电子,它继续从分子中相邻的碳原子和氢原子中吸收电子,然后它们也被猛烈地喷射出来。总之,碘分子失去了54个电子,比原子最初失去的要多。

整个过程只需30飞秒,即1千万分之一秒。在这个戏剧性的级联结束时,分子爆炸了。

在理论上是简单的,而在实践中不是

的发现表明,物理学家过去用来捕捉X射线激光脉冲冲击的一些基本模型可能是缺乏的,鲍特说,

即使对于相对简单的六原子系统,Boutet告诉《生活科学》杂志说:“预测损伤将如何发生是相当困难的,

这一发现可以帮助科学家更好地模拟强激光脉冲所造成的辐射损伤,而强激光脉冲通常被用来可视化复杂的有机分子,如病毒、酶和细菌,他补充道:

虽然支撑分子黑洞的过程是戏剧性的,但它可能在地球上从未发生过。

“有一些天体事件会产生这些强烈的磁场,比如超新星,”布特说它不会自然地发生在我们人类所处的任何地方。

这一发现今天(5月31日)发表在《自然》杂志上。

最初发表在《生命科学》上。

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