Os "átomos ocos", que estão sendo produzidos nos laboratórios da TU Wien (Viena) são objetos bastante exóticos. Seus elétrons estão em um estado de energia extremamente alta (os chamados estados de Rydberg), mas quando eles são filmados através de outro material, eles podem se livrar dessa energia em questão de femtossegundos (milionésimos de um bilionésimo de segundo).

Por muito tempo, físicos têm especulado como esse processo pode ser tão rápido. Experimentos com íons xenônio e grafeno mostraram agora que a razão é um efeito que foi enormemente subestimado:o chamado "decaimento coulomb interatômico". Estudar esse efeito não é importante apenas para a física atômica, mas também para a nossa saúde:quando o material biológico é irradiado, a decadência coulomb interatômica pode fraturar moléculas de DNA. Esses resultados já foram publicados na revista Cartas de revisão física .

Átomos ocos

Ambientes extremos são criados nos laboratórios da TU Wien. Em uma armadilha de íons, grandes quantidades de energia são usadas para arrancar um grande número de elétrons de seus átomos, deixando íons altamente carregados para trás. Quando tal íon é disparado sobre uma superfície, ele recupera seus elétrons, puxando-os para longe da superfície. Esses novos elétrons, Contudo, têm energias muito altas. Eles ocupam as camadas externas de elétrons, longe do núcleo atômico - enquanto que em um átomo normal, os elétrons tendem a ocupar as camadas de elétrons mais internas, onde sua energia é baixa. Um átomo, em que muitos elétrons estão localizados nas camadas externas de elétrons, enquanto muitos estados internos de elétrons estão vazios, é chamado de "átomo oco".

"Assim que esses átomos vazios entram em um sólido, por exemplo, quando eles penetram em uma folha fina, seu estado eletrônico muda quase que instantaneamente ", diz Richard Wilhelm, um cientista da equipe do Prof. Friedrich Aumayr na TU Wien. "Os elétrons altamente excitados retornam a um estado de energia inferior. E isso acontece tão rápido que por muitos anos permaneceu um mistério, qual processo pode ser responsável por essa transferência de energia. "

"Os mecanismos usuais que normalmente permitem que os elétrons se livrem de sua energia são muito lentos", diz Friedrich Aumayr. "Portanto, diferentes hipóteses ad-hoc foram propostas para explicar esse fenômeno. Mas ninguém realmente teve uma resposta satisfatória. "

Xenon e Grafeno

Junto com físicos do Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, a equipe vienense decidiu dar uma olhada mais de perto. Eles usaram íons muito pesados ​​- átomos de xenônio com carga positiva de trinta vezes - e os dispararam sobre o grafeno, o material mais fino do mundo, consistindo em apenas uma camada de átomos de carbono. O tempo que leva para os átomos carregados atravessarem o grafeno é apenas um femtossegundo, mas esse contato ultracurto é suficiente para mudar completamente a distribuição dos elétrons.

O experimento mostrou que essa redistribuição se deve a um efeito, que tem sido considerado sem importância - o decaimento interatômico de Coulomb:a energia de um único elétron é transferida para vários outros elétrons de átomos vizinhos. O átomo de xenônio altamente carregado passa pela camada de grafeno e entra em contato com vários átomos de carbono ao mesmo tempo. A alta energia de um elétron no átomo de xenônio é passada para vários elétrons no grafeno, que agora podem deixar seu lugar e se espalhar - mas apenas com energias bastante baixas.

A baixa energia dos elétrons resultantes é a razão pela qual esse processo desempenha um papel interessante na biologia. Esses decaimentos coulomb interatômicos também podem acontecer durante a ionização da radiação (como é usada na terapia do câncer, quando os pacientes são irradiados com radiação gama, íons ou elétrons) remove um elétron interno de um átomo e deixa o átomo em um estado altamente excitado ("oco"). Também nesse caso, a energia pode ser distribuída por vários átomos vizinhos, e muitos elétrons lentos são emitidos. Isso pode levar a quebras de fita simples ou dupla nas moléculas de DNA. Em tecido humano normal, isso pode causar defeitos hereditários ou câncer, mas na radioterapia, esse tipo de dano ao DNA pode ser muito eficaz na destruição de células cancerosas.

Esses novos insights sobre o importante papel do decaimento coulomb interatômico em átomos ocos abrem novas maneiras de estudar esse efeito e obter novos insights que são relevantes para a medicina e a biologia.