Met een techniek die lijkt op de manier waarop je een stop-motionfilmpje maakt, legden onderzoekers gedrag vast van elektronen. Dat deden ze voor het eerst zonder daarbij gestoord te worden door de beweging van de bijbehorende atoomkern.

Door met ultrakorte pulsen röntgenlicht op water te schijnen, kregen onderzoekers een kijkje in het gedrag van elektronen in watermoleculen. Ze konden zo het ionisatie-proces waarnemen, waarbij een watermolecuul een elektron kwijtraakt, beschrijven ze in het vakblad Science.

De onderzoekers veroorzaakten de ionisatie door een röntgenlaser op een dun laagje water te richten. Maar ionisatie kan ook veroorzaakt worden door radioactieve straling. Daarbij kunnen chemisch reactieve stoffen ontstaan. Doordat ze het elektrongedrag tijdens de ionisatie met de nieuwe techniek kunnen volgen, hopen onderzoekers meer te leren over het ontstaan van deze reactieve stoffen. Dit is bijvoorbeeld relevant bij het opslaan van radioactief afval.

‘Er is heel veel mis  met de p-waarde’
LEES OOK

‘Er is heel veel mis met de p-waarde’

De p-waarde is tegenintuïtief en wordt vaak onjuist gebruikt, stelt wiskundige Rianne de Heide. We moeten naar een alternatief.

Attoseconden

Het ontstaan van reactieve stoffen door straling is het gevolg van elektronactiviteit die plaatsvindt op de tijdschaal van een attoseconde (een triljoenste van een seconde), vertelt Linda Young, natuurkundige bij het Argonne Nationaal Laboratorium in de VS. ‘Tot nu toe konden stralingschemici alleen gebeurtenissen op de picoseconde-tijdschaal onderscheiden, een miljoen keer langzamer dan een attoseconde. Dat is zoiets als zeggen “Ik ben geboren en toen ben ik gestorven”. Maar we willen ook weten wat ertussenin gebeurt. Dat kunnen we nu doen.’

Voor het vastleggen van dit supersnelle elektrongedrag maakten de onderzoekers gebruik van een lasertechniek die voortbouwt op het onderzoek van de Nobelprijs voor natuurkunde van 2023. De laser produceert röntgenpulsen die slechts een paar honderd attoseconden duren.

Snelle elektronen

Voor het onderzoek sprayden de wetenschappers een dun laagje water in het pad van de röntgenlaser. De eerste puls die het water raakt veroorzaakt de ionisatie. De tweede puls, die 600 attoseconden later volgt, maakt vervolgens een momentopname van het gedrag van de elektronen die bij de ionisatie betrokken zijn.

Doordat de onderzoekers ultrakorte röntgenpulsen gebruikten die elkaar snel opvolgden, zagen ze het razendsnelle elektrongedrag zonder dat de meting verstoord werd door de veel zwaardere en tragere atoomkern. De atoomkern leek ‘bevroren’.

De dunne laag water (circa 1 centimeter breed) dat diende als doelwit voor de röntgenpulsen. Beeld: Emily Nienhuis, Pacific Northwest Nationaal Laboratorium

De nieuwe, supernauwkeurige metingen lossen een vraag op uit eerdere, minder precieze waarnemingen aan vloeibaar water. Die waarnemingen leken erop te wijzen dat er verschillende atomaire structuren aanwezig waren in het water. De nieuwe experimenten laten zien dat dat niet zo is. ‘Wat mensen in eerdere experimenten zagen, was ruis die werd veroorzaakt door bewegende waterstofatoomkernen’, zegt Young. ‘Wij konden die beweging uitsluiten door onze metingen te doen voordat de atoomkernen de tijd hadden om te bewegen.’

Deze eerste attoseconde-metingen vonden plaats met met puur water, maar volgens de onderzoekers is het ook mogelijk om het elektrongedrag in complexere vloeistoffen te gaan onderzoeken. Zo zouden ze bijvoorbeeld in kaart kunnen brengen welke invloed straling uit radioactief afval heeft op de ondergrond waar mogelijk honderden jaren in opgeslagen wordt.