当水分子遇上高能辐射，会怎样？

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：小雨，原文标题：《以前所未见的细节，观察一个基本的过程》，题图来自：《哥斯拉大战金刚》

一

高能辐射是如何在生物体内引发连锁反应的？在高能辐射化学中，水分子（H₂O）在电离后的超快结构动力学是一个重要问题。一直以来，科学家对这一问题仍然没有清晰的理解。

我们已经知道，水存在于每一个已知的生物体中，当水暴露在X射线等高能辐射下时，会产生许多后果，比如它在X射线下的电离分解，就通常是辐射损伤的开始。

现在，研究人员通过利用X射线激光，为了解辐射损伤是如何发生在生物组织中提供了新的见解。新的研究结果以详尽的细节揭示了水分子是如何被高能辐射分解，进而产生潜在有害的自由基和带电离子的。

二

水分子被电离辐射分解的过程被称为水的光解，它能够导致离子和自由基在非常短的时间尺度上形成。在生物体内，这些自由基和带电离子可以进一步引发有害的化学反应。然而，科学家对于这些过程仍然缺乏精确的描述，因为当高能辐射被水吸收时， 即使只是想要观察单个带电离子和活性自由基的形成，也是非常困难的。

在新的研究中，研究团队通过将X射线激光器向水蒸气发射强脉冲，揭示了这一过程中所发生的一系列事件。实验中所使用的是自由电子激光器，当水分子暴露在这种短而强的X射线脉冲下时，会在吸收了高能X射线光子后分解。

由于这种X射线激光器的脉冲强度尤为高，这使得研究人员可以在水分子断裂飞散之前，清晰地观察到单个水分子对一个、两个甚至更多个X射线光子的吸收。使他们得以窥探在水分子第一次吸收了X射线光子后，分子内部都发生了什么。

他们发现，第一个X射线脉冲从分子中移除了两个电子，迫使其结构发生改变。在经历第一次X射线脉冲辐射后，这些离子的动量保留了水分子的结构性质信息。接着，第二个X射线脉冲会再带走两个电子，触发分子断裂成两个质子和一个双电离氧原子。

研究人员利用一种被称为反应显微镜的设备，记录了水分子在分解后所产生的离子的移动方向和速度，进而帮助他们对单个水分子的结构动力学进行了前所未有的详细成像，清晰地捕捉了水分子的内部发生了什么。事实证明，水分子的分解比最初预想的要复杂得多。水分子在断裂后，其碎片会以一种非常独特方式飞散。

在断裂之前，水分子会先拉伸和膨胀；紧接着，两个氢原子（通常情况下以104°角度与氧原子相连）会在大约10飞秒（1飞秒=1×10⁻¹⁵秒）后就积聚到足够的动量，以大约180°的角度处于面对面的位置。因此，当水分子分裂时，氧原子实际上并不会被用力“甩飞”，因为两个氢原子的动量在它们飞离时基本上是互相平衡的，使得处于中间的氧原子静止不动。

 在吸收了X射线光子后，水分子的两个氢原子（灰色）可以在大约10飞秒后就变成面对面的位置，氧原子（红色）夹在两个氢原子中间。这种运动可以通过吸收第二个X射线光子来研究。| 图片来源：Ludger Inhester / DESY

最终，研究人员以慢动作电影的形式记录了这个实际上只持续了几飞秒的水分子解体过程。

三

水分子的解体是最终导致辐射损伤的进一步连锁反应中重要的第一步。在水环境中，解体所产生的氧自由基很容易导致更多的有害化学反应。现在，研究人员首次成功地在一个水分子吸收了高能辐射后，详尽地捕捉到了它的碎片的动态。

新的研究结果进一步阐明了辐射对水的影响，使科学家得以更加精确地描述氧自由基和氢离子的形成，以及这个过程随着时间的推移的演变方式。现在，科学家获得了解决一些与水的反应动力学有关的基本问题的见解。接下来，他们计划将对这些问题展开进一步研究。

#参考来源：

https://www.desy.de/news/news_search/index_eng.html?openDirectAnchor=2190&two_columns=0

https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.11.041044

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