Forskare under ledning av Kiyoshi Ueda från Tohoku University har undersökt vad röntgenstrålar i materia verkligen gör och identifierat en ny mekanism för att producera lågenergifria elektroner. Eftersom elektronerna med låg energi orsakar skador på saken, den identifierade processen kan vara viktig för att förstå och utforma strålbehandling av sjukdomar.

Röntgen är ett av de viktigaste diagnostiska verktygen inom medicin, biologi och materialvetenskap, eftersom de kan tränga djupt in i material som är ogenomskinligt för det mänskliga ögat. Deras passage genom ett prov, dock, kan ha biverkningar, eftersom absorptionen av röntgenstrålar avsätter energi i djupa lager av provet. I extrema fall, tillämpningen av röntgenstrålar begränsas av dessa biverkningar, känd som "strålskada". Medicin är ett område där den absorberade röntgendosen måste minimeras.

Förvånande, det är oklart vad som händer när en röntgen absorberas, till exempel, i biologisk vävnad bestående av vatten, biomolekyler och några metallatomer. En anledning till detta är att de första reaktionsstegen efter absorptionen av en röntgenstråle, händer extremt snabbt, inom 10-100 femtosekunder. En femtosekund är SI -tidsenheten lika med 10? 15. För att uttrycka det på ett annat sätt, det är en miljonedel av en miljarddel av en sekund.

Inom denna tid, i en komplex kaskad av händelser, flera elektroner avges, och positivt laddade reaktiva partiklar (joner) skapas. De flesta experiment som gjorts hittills kunde bara karakterisera detta slutliga tillstånd långt efter att kaskadreaktionen var klar. Dock, det är den exakta förståelsen av de mellanliggande stegen som är mycket viktig för att förutsäga och utforma strålningseffekter i materia.

Teamet har nu genomfört ett experiment som tog en oöverträffad detaljerad bild av de första hundra fs efter absorption av en röntgen genom materia.

I ett biologiskt system, många vattenmolekyler är flexibelt arrangerade runt de biologiskt funktionella molekylerna, utan starkt bindande för dem.

Som ett modellsystem för det, en flexibel, svagt bundna aggregat av två olika ädelgaser, Ne och Kr, skapades genom att kyla dem till extremt låga temperaturer. Dessa Ne-Kr-kluster utsattes sedan för pulserade röntgenstrålar från SPring-8 synkrotronstrålningskällan som, under de villkor som valts för experimentet, företrädesvis joniserade Ne-atomer.

Genom att använda en avancerad experimentell uppsättning, laget kunde registrera alla elektroner och joner som skapades vid varje röntgenabsorptionshändelse. De fann att bara några hundra fs efter den första joniseringen, Ne-atomen som hade absorberat röntgen, samt två angränsande Kr-atomer, var alla i en joniserad, positivt laddat tillstånd.

Mekanismen genom vilken denna ultrahurtiga laddningsomfördelning sker, föreslagits teoretiskt av forskargruppmedlem Lorenz Cederbaum, har fått namnet 'Electron Transfer Mediated Decay' (ETMD). Den består av elektronöverföring till den ursprungligen joniserade Ne-atomen matchad av energiöverföring bort från Ne, vilket leder till jonisering av den andra Kr -atomen i närheten. Experimentet visar tydligt att mycket lokaliserad laddning producerad av röntgenstrålar i materia, omfördelar över många atomplatser på en förvånansvärt kort tid.

Kiyoshi Ueda säger:'Vi tror att förståelse av röntgeninitierade processer på mikroskopisk nivå kommer att leda till nya insikter inom fysikens discipliner, biologi och kemi. '

Dessa resultat har publicerats i den vetenskapliga tidskriften Naturkommunikation .