حصلت مجموعة من ثلاثة باحثين على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2023 عن عملهم الذي أحدث ثورة في كيفية دراسة العلماء للإلكترون، من خلال إضاءة الجزيئات بمضات من الضوء تبلغ مدتها أتوس ثانية. ولكن ما هو طول الأتو ثانية، وما الذي يمكن أن تخبره هذه النبضات القصيرة للغاية للباحثين عن طبيعة المادة؟
لقد تعلمت لأول مرة هذا المجال من البحث عندما كنت طالبة دراسات عليا في الكيمياء الفيزيائية. كان لدى فريق مستشاري للدكتوراه مشروع مخصص لدراسة التفاعلات الكيميائية باستخدام نبضات الأتوثانية. قبل أن نفهم لماذا أدى بحث الأتو ثانية إلى الحصول على الجائزة المرموقة في العلوم، من المفيد أن نفهم ما هي نبضة الأتو ثانية من الضوء.
ما هو طول الأتو ثانية؟
“Atto” هي بادئة التدوين العلمي التي تمثل 10⁻¹⁸، وهي علامة عشرية يتبعها 17 صفرًا و1. لذا فإن وميض الضوء الذي يدوم أتوثانية، أو 0.000000000000000001 من الثانية، هو نبضة ضوئية قصيرة للغاية.
في الواقع، يوجد تقريبًا عدد الأتو ثانية في الثانية الواحدة مثل عدد الثواني في عمر الكون.
في السابق، كان بإمكان العلماء دراسة حركة النوى الذرية الأثقل والأبطأ حركة باستخدام نبضات ضوئية بالفيمتو ثانية (10⁻¹⁵). ألف أتو ثانية موجودة في 1 فيمتوثانية. لكن الباحثين لم يتمكنوا من رؤية الحركة على مقياس الإلكترون حتى يتمكنوا من توليد نبضات ضوئية من الأتو ثانية – تتحرك الإلكترونات بسرعة كبيرة جدًا بحيث لا يستطيع العلماء تحليل ما يصلون إليه بالضبط عند مستوى الفيمتو ثانية.
نبضات الأتو ثانية
إن إعادة ترتيب الإلكترونات في الذرات والجزيئات توجه الكثير من العمليات في الفيزياء، وهي أساس كل جزء من الكيمياء تقريبًا. ولذلك، بذل الباحثون الكثير من الجهد لمعرفة كيفية تحرك الإلكترونات وإعادة ترتيبها.
ومع ذلك، تتحرك الإلكترونات بسرعة كبيرة في العمليات الفيزيائية والكيميائية، مما يجعل دراستها صعبة. للتحقيق في هذه العمليات، يستخدم العلماء التحليل الطيفي، وهو طريقة لفحص كيفية امتصاص المادة للضوء أو انبعاثه. ومن أجل متابعة الإلكترونات في الوقت الفعلي، يحتاج الباحثون إلى نبضة ضوئية أقصر من الوقت الذي تستغرقه الإلكترونات لإعادة ترتيبها.
على سبيل القياس، تخيل كاميرا يمكنها التقاط تعريضات ضوئية أطول، حوالي ثانية واحدة. الأشياء المتحركة، مثل شخص يركض نحو الكاميرا أو طائر يطير عبر السماء، ستظهر ضبابية في الصور الملتقطة، وسيكون من الصعب رؤية ما يحدث بالضبط.
ثم تخيل أنك تستخدم كاميرا ذات تعريض ضوئي يبلغ 1 مللي ثانية. الآن، سيتم حل الحركات التي تم تلطيخها سابقًا بشكل جيد في لقطات واضحة ودقيقة. هذه هي الطريقة التي يمكن بها استخدام مقياس الأتو ثانية، بدلاً من مقياس الفيمتو ثانية، لإلقاء الضوء على سلوك الإلكترون.
بحث الأتو ثانية
إذًا ما هو نوع الأسئلة البحثية التي يمكن لنبضات الأتو ثانية أن تساعد في الإجابة عليها؟
أولاً، يعد كسر الرابطة الكيميائية عملية أساسية في الطبيعة حيث تنفصل الإلكترونات المشتركة بين ذرتين إلى ذرات غير مرتبطة. تخضع الإلكترونات المشتركة سابقًا لتغيرات فائقة السرعة خلال هذه العملية، وقد أتاحت نبضات الأتوثانية للباحثين متابعة كسر الرابطة الكيميائية في الوقت الفعلي.
أصبحت القدرة على توليد نبضات الأتو ثانية ــ البحث الذي حصل بسببه ثلاثة باحثين على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2023 ــ ممكنة لأول مرة في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، واستمر هذا المجال في النمو بسرعة منذ ذلك الحين. من خلال توفير لقطات أقصر للذرات والجزيئات، ساعد التحليل الطيفي للأتوسيكوند الباحثين على فهم سلوك الإلكترون في الجزيئات المفردة، مثل كيفية هجرة شحنة الإلكترون وكيفية تفكك الروابط الكيميائية بين الذرات.
على نطاق أوسع، تم أيضًا تطبيق تقنية الأتو ثانية لدراسة كيفية تصرف الإلكترونات في الماء السائل وكذلك نقل الإلكترون في أشباه الموصلات في الحالة الصلبة. ومع استمرار الباحثين في تحسين قدرتهم على إنتاج نبضات ضوئية من الأتو ثانية، سيكتسبون فهمًا أعمق للجسيمات الأساسية التي تشكل المادة.
تم إعادة نشر هذه المقالة من The Conversation، وهو موقع إخباري مستقل غير ربحي مخصص لمشاركة أفكار الخبراء الأكاديميين. المحادثة هي أخبار جديرة بالثقة من خبراء، من منظمة غير ربحية مستقلة. جرب رسائلنا الإخبارية المجانية.
كتب بواسطة: آرون دبليو هاريسون، كلية أوستن.
اقرأ أكثر:
آرون دبليو هاريسون لا يعمل لدى أي شركة أو مؤسسة أو يستشيرها أو يمتلك أسهمًا فيها أو يتلقى تمويلًا منها قد تستفيد من هذه المقالة، ولم يكشف عن أي انتماءات ذات صلة بعد تعيينه الأكاديمي.