阿秒级能量转移：抑制X射线辐射并增强电子产生

《Radiation Physics and Chemistry》：Attosecond energy transfer: Suppressing X-ray emission and enhancing electron production

辐射损伤中的能量转移机制研究：重原子环境中的相对论效应抑制荧光

　　能量在原子和分子间的传递是一个在自然界中广泛存在的现象，其研究不仅限于实验领域，也深入到理论分析中。通常情况下，研究关注的是较小到中等范围的能量转移，但本文提出一个新问题：在大能量转移条件下，这种传递是否可以高效进行？当能量转移过程涉及大量能量时，会引发周围环境的电离，从而与一种被称为“原子间（或分子间）库仑衰变”（Interatomic or Intermolecular Coulombic Decay, ICD）的现象密切相关。然而，在这种高能环境下，相对论效应变得尤为关键，因为有限的光速会显著影响能量传递的效率。研究揭示了当深核心空穴（如重原子的1s空穴）参与时，供体的辐射寿命可以短至飞秒甚至阿秒（10^?18秒）量级，这使得能量传递过程在时间尺度上极为迅速。

在孤立的供体中，X射线发射通常是主导的衰变方式，远远超过Auger电子发射的效率。Auger电子通常在轻原子中更为常见，而在重原子中，X射线的发射概率远高于Auger衰变。例如，在金（Z=79）的1s空穴情况下，X射线发射的速率是Auger衰变的25倍，其辐射寿命约为13阿秒。这种高能X射线的穿透能力非常强，例如在水中，69 keV的X射线光子的衰减长度可达约5厘米，远大于人体细胞的尺寸（10–100微米）。因此，X射线在辐射损伤研究中常常被忽视，而Auger电子则因其较低的穿透距离（1–10纳米）被更多关注。

然而，随着研究的深入，科学家们开始意识到，除了Auger和荧光过程之外，还可能存在其他非局域的能量传递路径。特别是当供体嵌入在环境中时，能量传递效率可能会显著提升。ICD作为一种非局域能量传递机制，通常在弱结合系统中表现突出，如范德华簇和氢键系统。在这些系统中，能量传递的效率往往比基于光速有限的长程传递机制更高。然而，当能量值足够大时，相对论效应开始主导，这为研究高能下的能量传递提供了新的视角。

在重原子中，特别是当它们处于高能激发状态时，其能量传递速率可能受到周围环境的显著影响。例如，当供体嵌入在环境中，所有环境成分都可能成为能量接受者，从而显著提升能量传递效率。这一现象在理论计算中被验证，即当供体与接受者之间的距离足够远时，能量传递速率可能会出现显著增强。此外，供体的辐射寿命在高能状态下可以变得非常短，例如，对于Xe的1s空穴，其辐射寿命约为6.6阿秒，而对于U的1s空穴，其寿命甚至可以短至6.6飞秒。这种极端短的寿命意味着，高能下的能量传递可能发生在极其快速的时间尺度上，从而对辐射损伤机制产生重要影响。

研究还表明，当供体嵌入在环境中时，能量传递过程可能会受到环境特性的显著影响。例如，环境的总衰减截面和吸收剂的浓度都会影响能量传递的效率。在液体环境中，X射线的衰减长度通常在微米到毫米范围内，而气体环境中的衰减长度则可以达到厘米量级。这意味着，在气体环境中，能量传递可能发生在更长的距离上，从而增强其影响范围。此外，当环境的吸收剂浓度增加时，衰减长度会相应减小，能量传递的效率也会提高。

这些发现不仅对理解辐射损伤机制具有重要意义，还可能推动新的应用技术的发展。例如，在放射治疗中，利用重元素纳米颗粒来增强对癌细胞的辐射损伤效果，可能需要更深入地研究高能下的能量传递机制。此外，高能下的能量传递可能对生物分子的结构和功能产生深远影响，例如通过引发多个电子的释放和进一步的电离过程，从而影响生物体的化学反应和物理特性。

总之，本文通过理论分析和实验数据，揭示了在大能量条件下，能量传递机制的复杂性和多样性。相对论效应的引入为理解这种机制提供了新的视角，同时也为相关领域的研究和应用开辟了新的方向。这些发现强调了在高能状态下，能量传递不仅受到供体和接受者之间的距离影响，还与环境的性质密切相关。未来的研究需要进一步探索这些机制在不同环境中的表现，以及它们对辐射损伤的潜在影响。