Высокоэнергетическое излучение, например, рентген, способно повреждать наши клетки. Это происходит потому, что такое излучение возбуждает атомы и молекулы, которые затем часто распадаются — в результате разрушаются биомолекулы, и более крупные биологические структуры могут утрачивать свои функции. Существует множество подобных процессов распада, и их изучение важно для лучшего понимания и предотвращения радиационных повреждений.
В новой работе исследователи сосредоточились на распаде, опосредованном переносом электрона (electron-transfer-mediated decay — ETMD). В этом процессе один атом возбуждается под действием излучения, после чего релаксирует, «забирая» электрон у соседнего атома, а высвобождающаяся при этом энергия ионизует еще один соседний атом.
Авторам удалось напрямую проследить, как атомы в модельной системе перемещаются и перестраиваются перед тем, как претерпеть этот экзотический электронный распад. Опубликованная в Journal of the American Chemical Society работа стала наиболее детальным на сегодня исследованием ETMD в реальном пространстве и времени.
Модельная система состояла из одного атома неона, слабо связанного с двумя атомами криптона (тример NeKr₂). После ионизации внутренней оболочки неона мягким рентгеновским излучением ученые наблюдали за системой в течение пикосекунды — целой вечности по атомным масштабам времени, — прежде чем она наконец распалась в результате переноса электрона между соседними атомами с испусканием низкоэнергетического электрона.
Ученые восстановили геометрию молекулы в точный момент распада расчетами ab initio (от начала), оценивающими вероятность распада вдоль каждой из тысяч траекторий ядерного движения.
Оказалось, атомы не остаются застывшими в своей исходной конфигурации — они совершают выраженное блуждающее движение, постоянно меняя геометрию молекулы и сильно влияя на то, когда и как происходит распад.
«Мы буквально можем наблюдать, как атомы движутся до того, как случится распад. Этот распад не просто электронный процесс — он управляется ядерным движением очень прямо и наглядно», — говорит один из ведущих авторов работы Флориан Тринтер.
ETMD происходит не из какой-то одной «предпочтительной» структуры. На ранних стадиях распад происходит вблизи геометрии основного состояния, а позже система переходит в почти линейные и сильно искаженные конфигурации, отражая маятникообразное, блуждающее движение атомов. Это динамическое перестроение приводит к сильно зависящим от времени скоростям распада, которые могут различаться почти на порядок в зависимости от геометрии.
«Атомы исследуют обширные области конфигурационного пространства, прежде чем распад окончательно произойдет. Это показывает, что ядерное движение — не второстепенная поправка, а фундаментальный фактор, контролирующий эффективность неместного электронного распада», — резюмирует старший автор исследования Тилль Янке.
ETMD эффективно генерирует низкоэнергетические электроны, которые, как известно, вызывают химические повреждения в жидкостях и биологических тканях. Поэтому так важно понимать, как он зависит от молекулярной структуры и движения частиц.