瑞典科學家首次拍下電子運動連續畫面
2008-02-25 來源：中國聚合物網
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據國外媒體報道，由于電子的運動速度極快，過去要完整地拍攝電子的運動情況幾乎是一件不可能完成的任務。但瑞典的科學家們近日，通過一項最新研發的技術，他們首次成功地拍攝到電子運動的連貫影片。相關成果發表在美國學術期刊《物理評論快報》上。
長期以來，拍攝電子的運動一直是一件不可能完成的任務，因為電子運動的速度非常快，拍出的照片也就會模糊不清。為了捕捉到這些高速速度的電子，極快的閃光是非常必要的，但在過去，這樣的閃光條件是不可能的。但是如今，瑞典倫德大學工程學院的科學家研發出一種瞬時強激光脈沖，稱為“阿秒脈沖”(attosecond)，這使得人類第一次可以拍攝到電子的運動圖像。瑞典倫德大學工程學院的原子物理學副教授約翰-馬里茨遜說，電子圍繞原子核轉一周大約需要150阿秒的時間(1阿秒=10-18 秒) 。在另一束激光的幫忙下，科學家們還成功引導一個電子與原子核進行碰撞，并拍下圖像。
約翰-馬里茨遜說，我們早就預言可以使用“阿秒脈沖”拍攝電子運動照片，現在終于取得成功了。我們可以研究當電子與不同物體進行碰撞時的不同結果。所拍照片可以作為我們理論的有力證據。研究者們還想發現更多的東西，比如，當內部電子離開原子核時，情況是怎樣的，其它電子是在何時又是如何填補逃逸電子所留下的空缺的。馬里茨遜說，我們正在做的是純基礎研究。如果將來我們的研究成果能夠得到實際應用，那就是對我們最好的獎賞。所拍電子運動影片的時間跨度上不過是光稍作移動的那么一瞬，但影片播放時，電子速度已被有意放慢，這樣我們就能很好地觀看它。影片只是以圖片連續播放的形式顯示了電子發送能量的過程，因此并不是一般意義上的影片。
為了測量電子的運動速度，研究組首先在沒有電流通過晶體的情況下進行實驗。他們施加一個短的微波脈沖讓電子開始進動，由于不同之處磁場強度不一樣，盡管出發時是同步的，但很快不同位置處電子的步伐就會不一致起來。不久之后，第二道脈沖迫使所有電子都在轉圈圈的進程中向前跳一步，但是跳進量并不一樣以使得次序反轉，結果是轉得最慢的跑到最前頭而轉得最快的落在后頭。經過與前一階段同等時間之后，重新排序的結果是所有電子自旋又恢復了出發時的整齊一致，并發出一個無線電“回聲”。接下來研究組在有電流通過時開展同樣的實驗，此時很多電子都處在運動中，當它們經過樣品不同區域時會感受到不同的磁場強度并具有不同的進動速度，這樣一來第二道脈沖就無法使所有電子自旋重新同步，通過分析其無線電回聲就可以知道它們運動的有多快了。
在此之前，科學家們都是用間接的方法來研究電子運動。比如，通過測量電子光譜。但是，采用這些方法只能測出電子運動的結果，而現在，科學家們卻可以監測電子的整個運動過程。實際上，幾年前人們就已發明出“阿秒脈沖”的方法，但直到現在人們才把它用于拍攝電子運動，這是因為，“阿秒脈沖”非常弱，難以拍出清晰的圖像。馬里茨遜說，他們如今使用了一種采用頻閃觀測儀的方法。這種頻閃觀測儀可以使他們將電子在某一時刻的運動“凍結”，就像抓拍鳥兒扇動翅膀的瞬間。趁鳥兒在扇動翅膀時，拍攝者在同一時刻同一位置同時拍出多張照片，這樣圖片就清楚了。
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