摘要：研究概要： 研究人员在辐射驱动的衰变过程发生前夕，捕捉到了原子运动的影像，揭示了一幅出乎意料的动态景象。原子并非保持静止，而是游走并重新排列，直接影响了衰变如何及何时发生。这部“原子级电影”表明，结构和运动在辐射损伤机制中扮演着核心角色。这一发现或能加深我们对

研究概要： 研究人员在辐射驱动的衰变过程发生前夕，捕捉到了原子运动的影像，揭示了一幅出乎意料的动态景象。原子并非保持静止，而是游走并重新排列，直接影响了衰变如何及何时发生。这部“原子级电影”表明，结构和运动在辐射损伤机制中扮演着核心角色。这一发现或能加深我们对有害辐射如何影响生物组织的理解。

受激发的氖-氪三聚体中的三个原子相互环绕运动，持续时间长达一皮秒。图片来源：弗里茨·哈伯研究所

科学家拍摄原子“漫游”至爆炸瞬间，揭示辐射损伤的隐秘驱动机制。

过程：

该研究聚焦于电子转移介导衰变（ETMD），这是一种由辐射驱动的过程，可导致松散结合的原子分裂。这一机制尤为重要，因为它能在水中生成高活性粒子，是辐射对生物系统造成损伤的关键因素。

实验：

科学家利用一种专门的反应显微镜，结合先进的理论模拟，以前所未有的细节追踪了这一过程。这使他们能够在精心控制的模型系统中，精确地跟踪衰变随时间的演变。

发现：

研究团队实际上制作了一部实时“电影”，记录了原子在系统最终分裂前相互环绕运动长达一皮秒的过程。这揭示了一个动态、不断变化的过程，而非一个简单的静态事件。

意义：

这些发现为理解辐射损伤如何在原子层面发生提供了更清晰的图景。通过更深入地理解这一过程，研究人员可以改进辐射在生物环境中效应的模型，并可能为未来的防护策略提供指导。

高能辐射（如X射线）通过扰乱原子和分子来伤害活细胞。当这种情况发生时，这些粒子会变得激发并常常分解，从而破坏重要的生物分子，并扰乱更大的生物系统。由于可能发生多种类型的衰变过程，科学家们会仔细研究它们，以更好地理解辐射如何造成损伤以及如何减轻损伤。

在一项新研究中，来自分子物理系的研究人员与国际合作者聚焦于一种特定的辐射驱动过程，称为电子转移介导衰变（ETMD）。在这一过程中，辐射首先激发一个原子。然后，该原子通过从邻近原子拉取一个电子来使自己稳定，而释放的能量则使第三个相邻原子电离。研究团队能够直接观察到在这种不寻常的衰变发生之前，模型系统中原子如何移动和重排。他们的研究结果提供了迄今为止关于ETMD最详细的真实空间和真实时间视图。

为了探究这一过程，科学家使用了一个简单的模型系统，该系统由一个氖原子弱结合两个氪原子（NeKr₂ 三聚体）组成。在用软X射线从氖原子上敲除一个电子后，他们跟踪了系统在衰变发生前长达一皮秒（在原子时间尺度上极长）的演变。在此期间，一个电子在原子间转移，并发射出一个低能电子。

利用在同步辐射设施BESSY II（柏林）和PETRA III（汉堡）的先进COLTRIMS（冷靶反冲离子动量谱仪）反应显微镜，研究人员重建了衰变发生时原子的精确排列。他们将测量结果与详细的从头计算模拟相结合，模拟追踪了数千种可能的原子路径，并计算了每条路径上发生衰变的可能性。

研究结果揭示了一些意想不到的情况。原子并非保持固定不动。相反，它们以一种漫游式的模式运动，不断改变位置并重塑系统的结构。这种运动强烈影响了衰变的时间和结果。

“我们可以真正观察到原子在衰变发生前的运动。”主要作者特林特（Florian Trinter）说：“衰变不仅仅是一个电子过程——它还以一种非常直接且直观的方式受原子核运动的引导。”

该研究表明，ETMD并非从一个单一的稳定结构发生。不同的构型在不同时刻占主导地位。早期，衰变发生在原始构型附近。随后，一个氪原子移近氖原子，而另一个则移远，为电子转移和能量流动创造了有利条件。在更晚的阶段，原子形成更伸展和扭曲的形状，反映出一种摆动式的漫游运动。这些变化导致衰变速率根据几何结构的不同而有显著差异。

“在衰变最终发生之前，原子会探索广阔的结构空间。”该研究资深作者扬克（Till Jahnke）解释说：“这表明原子核运动不是一个小修正——它从根本上控制着非局域电子衰变的效率。”

ETMD之所以引起越来越多的关注，是因为它会产生低能电子，这些电子可能触发液体和生物材料中的化学损伤。了解这一过程如何依赖于原子排列和运动，对于准确模拟水和生物环境中的辐射损伤，以及解释超快X射线实验至关重要。这些结果也有助于发展能够将这些见解应用于更大、更复杂系统的理论模型。

通过为能够发生ETMD的最简单三原子系统提供一个精确的基准，这项研究为将这些概念扩展到液体、溶剂化离子和生物系统奠定了基础。

“这项工作展示了如何将非局域电子衰变用作探测分子运动的强大探针。”作者总结道：“它为以前所未有的细节成像弱束缚物质中的超快动力学打开了大门。”

参考文献：《追踪电子转移介导衰变在真实空间和时间中的复杂动力学》，2026年发表于《美国化学会志》第148卷第4期第4126页。DOI：10.1021/jacs.5c15510

来源：天时科学