כאשר המדענים מעוניינים לצפות במבנה החומר, הם משתמשים לרוב בתמונות עקיפה הנוצרות כאשר גלים אלקטרומגנטיים משודרים אל עבר החומר (ראו קישור בסוף הכתבה). ככל שהחומר הנבדק קטן יותר יש צורך בשימוש בגלים אלקטרומגנטיים בעלי אורך גל קצר יותר ויותר.
לאחרונה הסתימה בניתו של לייזר ענק במכון SLAC שבקליפורניהת המאפשר יצירת קרן לייזר באורך גל קצר ביותר, המייצרת למעשה קרינת רנטגן. לייזר זה מסוגל לייצר קרני רנטגן בעוצמה גבוהה ביותר, כך שגם כאשר הוא יוצר פרצי לייזר קצרים ביותר (של מספר פמטושניות – מילונית מילארדית השניה) פרצים אלו מכילים פוטונים רבים.
לייזר שכזה יוכל לשמש בעתיד ללמידה על מבניהם של חומרים ביולוגים מסובכים, אולם תחילה החלו המדענים בלבדוק את השפעתו על חומר פשוט, אטומי חנקן, על מנת ללמוד כיצד קרני רנטגן שכאלו מגיבות עם החומר.
לאטומי הנאון ישנם שמונה אלקטרונים בקליפה חיצונית ועוד שניים בקליפה הפנימית. האלקטרונים בקליפה הפנימית קשורים חזק יותר לגרעין ולכן על מנת להוציא אלקטרון מהקליפה הפנימית נדרשים פוטונים בעלי אנרגיה גבוהה (כ870 אלקטרון וולט) זוהי תמונה פשוטה, למעשה התמונה מסתבכת מעט. כאשר אחד משני האלקטרונים שבקליפה הפנימית מועף ממנה, האלקטרון שנשאר נקשר בצורה חזקה יותר אל הגרעין, ולכן אם נרצה להוציא גם אותו נדרש לשלוח לעברו פוטונים בעלי אנרגיה רבה אף יותר (מעל 930 אלקטרון וולט).
החוקרים בדקו מה קורה כשאר הם מאירים באמצעות לייזר הרנטגן שלהם בעוצמות שונות על גז המורכב מאטומי נאון. תחילה הם האירו בקרינה בה לכל פוטון יש כ870 אלקטרון וולט. במצב זה במהלך פולס של הלייזר אלקטרון בודד נקרע מהקליפה הפנימית של האטום, כך שנוצר חור בקליפה הפנימית, אולם תוך זמן אפסי אלקטרון מהקליפה החיצונית "נפל" אל הקליפה הפנימית ומילא את החור הזה. התהליך חזר על עצמו ולכן למעשה לאחר הפעלת פולס הלייזר נוצרו חורים בקליפה החיצונית דווקא של האטום. במצב שכזה האטום מפזר את קרני הרנטגן, משום שהאלקטרונים הנופלים מהקליפה החיצונית לפנימית פולטים פוטונים.
כאשר החוקרים האירו על הנאון בקרינה בה לכל פוטון יש 930 אלקטרון וולט התהליך השתנה. במצב זה בתחילת הפולס נקרעו שני האלקטרונים מהקליפה הפנימית של הגרעין. במצב שכזה לאלקטרונים בקליפה החיצונית קשה יותר ליפול אל עבר הקליפה הפנימית והאטום נמצא זמן רב במצב בו הקליפה החיצונית שלו מלאה ואילו הפנימית ריקה. כאשר האטום נמצא במצב שכזה קרינת הרנטגן פשוט חולפת דרכו, הוא נהיה שקוף עבורה.
המידע שלמדו החוקרים, אודות הקשר בין אנרגית הפוטון והתגובה של החומר אליו עבור הלייזר החדש, יעזור בעתיד להבנת התגובה של חומרים בעלי מבנה מסובך יותר לקרינה מלייזר זה, ובתקווה יאפשר בעתיד לגלות באמצעותו את המבנה של חומרים ביולוגיים שונים.
תמונה - שני האופנים השונים בהם השפיע הלייזר על אטומי הנאון. משמאל, השפעת קרינה רנטגן בעלת אנרגיה נמוכה מ870 אלקטרון וולט. במצב זה בסוף פעולת הלייזר אלקטרונים מהקליפה החיצונית הוחלפו בחורים. מימין פעולת הלייזר בעוצמה מעל 993 אלקטרון וולט, אשר הספיקה ל"גרעון" של האטום, הוצאת שני האלקטרונים ברמה הפנימית יותר.
בבליוגרפיה
466 Atomic physics: X-ray laser peels and cores atoms, Nature
מאת: ירון גרוס
המחלקה לפיסיקה של חומר מעובה
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.
