Điều gì xảy ra khi bức xạ chiếu vào nước?. Đây là một tác động luôn được đặt ra mỗi khi chúng ta chụp X-quang, vì cơ thể chứa chủ yếu là nước. Nhóm các nhà vật lý lý thuyết tại DESY đã nghiên cứu dữ liệu do các đồng nghiệp từ Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne ở Mỹ thu thập tại Trung tâm Tia laser tia X LCLS ở California để có câu trả lời cho vấn đề này. Những gì họ tìm thấy có thể giải quyết vấn đề gây tranh cãi trong vật lý về sự hiện diện của các electron tự do trong nước và cách chúng hoạt động trong quy mô thời gian rất ngắn. Các electron, không liên kết với nguyên tử, trở nên cô lập trong các bong bóng trong cấu trúc giống như cái lồng giữa từng phân tử nước riêng lẻ. Những phát hiện này đã được công bố trên Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ.
Bằng cách sử dụng LCLS tia X ở California, nhóm thí nghiệm, do nhà khoa học Linda Young của Argonne dẫn đầu đã ghi lại hình ảnh cấu trúc của các phân tử nước xung quanh bong bóng điện tử. Nhóm các nhà khoa học ở Hamburg, dẫn đầu bởi Ludger Inhester của CFEL, đã mô hình hóa cách thức hoạt động của bong bóng điện tử bằng cách sử dụng dữ liệu của nhóm Linda Young (Nguồn: DESY/ Arturo Sopena Moros)
Electron tự do là các electron không liên kết với nguyên tử. Khi nước tiếp xúc với bức xạ và bị ion hóa, các electron tự do thoát ra khỏi các phân tử nước. Các electron di chuyển thế nào giữa các phân tử nước đã là chủ đề được thảo luận trong một thời gian dài. Tại LCLS của Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC, nhóm thí nghiệm do nhà khoa học Linda Young của Argonne dẫn đầu, đã nhìn thấy những dấu hiệu kỳ lạ liên quan đến các phân tử nước bị kích thích bởi tia bức xạ được chụp ảnh bằng một thiết bị phát tia X. Họ tìm thấy cấu trúc giữa các phân tử bằng phương pháp quang phổ hấp thụ tia X. Để hiểu rõ hơn ý nghĩa của những kết quả này, nhóm thí nghiệm đã tìm đến các nhà vật lý lý thuyết ở Hamburg.
Nhóm do nhà khoa học Ludger Inhester thuộc Trung tâm Khoa học Laser điện tử tự do của DESY dẫn đầu đã kiểm tra dữ liệu và bắt đầu tạo ra các mô hình từ dữ liệu với sự phối hợp của nhóm Linda Young. Các phát hiện của họ cho thấy các electron tự do trong nước tạo thành cấu trúc bong bóng, sau đó bị nhốt bởi các phân tử nước nhốt, tương tự như cách mà hóa chất hòa tan trong nước ở cấp độ phân tử. Đặc biệt, nhóm DESY đã chứng tỏ được quá trình đằng sau sự hòa tan này của các electron trong nước và các thông số của nó. Arturo Sopena, nhà khoa học tham gia nghiên cứu cho biết: “Electron di chuyển trong nước bị chiếu xạ theo cơ chế hòa tan và do đó hình thành các cấu trúc lồng rất nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ trong nước”.
Những hiểu biết mới về quá trình hòa tan cho thấy rằng electron, lúc đầu có thể được tìm thấy trên một khu vực rộng giữa các phân tử nước, bám vào các kiểu liên kết hydro cụ thể xảy ra trong nước phân tử và sau đó “đào” sâu hơn vào không gian rất hẹp trong cấu trúc nước. Quá trình “đào” này và sự định hướng lại liên kết của các phân tử nước lân cận diễn ra nhanh chóng và hoàn thành trong vòng 100 femto giây, trong đó một femto giây là một phần triệu triệu giây. Bong bóng có chiều rộng khoảng 50 phần tỷ mét, phân tách trong vòng vài pico giây, hoặc một phần nghìn tỷ giây.
Thang thời gian của các sự kiện liên quan đến quá trình phân giải phóng xạ của nước kéo dài từ vài atto giây đối với sự kiện ion hóa ban đầu đến vài femto giây và pico giây đối với sự hình thành các ion và gốc tự do như OH–, H3O+. Quá trình phân tách phóng xạ nước cũng tạo ra một số lượng đáng kể các electron thứ cấp dưới dạng sản phẩm phụ, đặc biệt khi nước tương tác với bức xạ năng lượng cao (hạt α, β-, γ- hoặc tia X). Trong nước, các electron này dần mất năng lượng và giảm tốc khi chúng va chạm với môi trường xung quanh, làm lan rộng thiệt hại do bức xạ gây ra bằng cách kích thích hoặc ion hóa các phân tử khác. Một số electron này có thể bị các phân tử bên trong môi trường bắt giữ, trong khi những electron khác tiếp tục giảm tốc cho đến khi chúng có khả năng phân cực các phân tử nước xung quanh. Để đáp lại sự phân cực này, các phân tử nước tự định hướng để tạo ra một cái lồng bao quanh electron, dẫn đến sự hình thành electron hòa tan (eaq–). Vài picos giây sau khi hình thành, electron hòa tan sẽ kết hợp lại. Bản chất cơ bản này, một electron được bao quanh bởi các phân tử nước, đã khơi mào cho nhiều nghiên cứu kể từ khi phát hiện ra nó, cho thấy những tác động quan trọng trên nhiều lĩnh vực, bao gồm cả xạ trị, ăn mòn trong lò phản ứng hạt nhân và suy thoái chất ô nhiễm.
Quá trình electron bị phân tách và di chuyển trong nước là những bước phản ứng hóa học đầu tiên được thúc đẩy bởi bức xạ và xác định tính chất hóa học do bức xạ gây ra. Kết quả nghiên cứu sẽ mang lại đóng góp quan trọng ngày công nghệ vật liệu sinh học. Những phát hiện này cũng cung cấp cái nhìn sâu sắc hơn về hành vi gây tổn hại do bức xạ ion hóa gây ra thông qua nước.
Từ khóa: bức xạ; nước; electron; phân tách; ion hóa
– CMD&DND –
