Hule atomer:Konsekvenserne af en undervurderet effekt

De "hule atomer", som bliver produceret i laboratorierne på TU Wien (Wien), er ret eksotiske genstande. Deres elektroner er i en tilstand med ekstrem høj energi (såkaldte Rydberg-tilstande), men når de skydes gennem et andet materiale, de kan slippe af med denne energi i løbet af femtosekunder (milliontedele af en milliardtedel af et sekund).

I lang tid, fysikere har spekuleret i, hvordan denne proces kan være så hurtig. Forsøg med xenonioner og grafen har nu vist, at årsagen er en effekt, som er blevet voldsomt undervurderet:det såkaldte "interatomiske coulomb-henfald". At studere denne effekt er ikke kun vigtigt for atomfysik, men også for vores sundhed:når biologisk materiale bestråles, det interatomiske coulomb-henfald kan knække DNA-molekyler. Disse resultater er nu blevet offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve .

Hule atomer

Ekstreme miljøer skabes i laboratorierne på TU Wien. I en ionfælde, store mængder energi bruges til at rive et stort antal elektroner ud af deres atomer, efterlader stærkt ladede ioner. Når en sådan ion affyres på en overflade, det genvinder sine elektroner, trække dem væk fra overfladen. Disse nye elektroner, imidlertid, har meget høje energier. De optager de ydre elektronskaller, langt væk fra atomkernen - hvorimod i et normalt atom, elektronerne har en tendens til at optage de inderste elektronskaller, hvor deres energi er lav. Et atom, hvor mange elektroner er placeret i de ydre elektronskaller, mens mange indre elektrontilstande er tomme, kaldes et "hult atom".

"Så snart disse hule atomer kommer ind i et fast stof, for eksempel, når de trænger ind i en tynd folie, deres elektroniske tilstand ændrer sig næsten øjeblikkeligt", siger Richard Wilhelm, en videnskabsmand i prof. Friedrich Aumayrs team ved TU Wien. "De stærkt ophidsede elektroner vender tilbage til en tilstand med lavere energi. Og dette sker så hurtigt, at det i mange år forblev et mysterium, hvilken proces kan være ansvarlig for den energioverførsel."

"De sædvanlige mekanismer, som normalt tillader elektroner at slippe af med deres energi, er alt for langsomme", siger Friedrich Aumayr. "Derfor, forskellige ad-hoc-hypoteser er blevet foreslået for at forklare dette fænomen. Men ingen havde rigtig et tilfredsstillende svar."

Xenon og grafen

Sammen med fysikere fra Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, Wienerholdet besluttede at se nærmere. De brugte meget tunge ioner - tredive gange positivt ladede xenonatomer - og affyrede dem på grafen, verdens tyndeste materiale, bestående af kun et lag af kulstofatomer. Den tid det tager de ladede atomer at krydse grafenen er kun et femtosekund, men denne ultrakorte kontakt er nok til fuldstændig at ændre fordelingen af ​​elektroner.

Forsøget viste, at denne omfordeling skyldes en effekt, hvilket er blevet anset for at være ret ligegyldigt - det interatomiske Coulomb-henfald:energien fra en enkelt elektron overføres til flere andre elektroner fra naboatomer. Det højt ladede xenonatom passerer gennem grafenlaget og kommer i kontakt med flere kulstofatomer på samme tid. Den høje energi fra en elektron i xenonatomet sendes videre til flere elektroner i grafenen, som nu kan forlade deres plads og haste af sted - dog kun med ret lave energier.

Den lave energi af de resulterende elektroner er grunden til, at denne proces spiller en interessant rolle i biologien. Sådanne interatomiske coulomb-henfald kan også ske ved ioniserende stråling (som det bruges i kræftbehandling, når patienter bestråles med gammastråling, ioner eller elektroner) fjerner en indre elektron fra et atom og efterlader atomet i en meget exciteret ("hul") tilstand. Også i så fald energien kan fordeles over flere naboatomer, og mange langsomme elektroner udsendes. Dette kan føre til enkelt- eller dobbeltstrengede brud i DNA-molekyler. I normalt menneskeligt væv, dette kan forårsage arvelige defekter eller kræft, men i strålebehandling, denne form for DNA-skade kan være meget effektiv til at ødelægge kræftceller.

Disse nye indsigter om den vigtige rolle, som det interatomiske coulomb-henfald spiller i hule atomer, åbner op for nye måder at studere denne effekt på og opnå ny indsigt, som er relevant for medicin og biologi.