Spektroskopia rentgenowska to technika, która wykrywa i mierzy fotony lub cząstki światła o długości fali w części rentgenowskiej widma elektromagnetycznego. Służy do pomocy naukowcom w zrozumieniu chemicznych i elementarnych właściwości obiektu.
Istnieje kilka różnych metod spektroskopii rentgenowskiej, które są stosowane w wielu dyscyplinach nauki i technologii, w tym w archeologii, astronomii i inżynierii. Metody te można stosować niezależnie lub razem, aby stworzyć pełniejszy obraz analizowanego materiału lub obiektu.
Historia
Wilhelm Conrad Röntgen, niemiecki fizyk, otrzymał pierwszą nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1901 roku za odkrycie promieni rentgenowskich w 1895 roku. Według SLAC National Accelerator Laboratory jego nowa technologia została szybko zastosowana przez innych naukowców i lekarzy.
Charles Barkla, brytyjski fizyk, przeprowadził badania w latach 1906–1908, które doprowadziły do odkrycia, że promieniowanie rentgenowskie może być charakterystyczne dla poszczególnych substancji. Jego praca przyniosła mu także Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki, ale dopiero w 1917 roku.
Zastosowanie spektroskopii rentgenowskiej faktycznie zaczęło się nieco wcześniej, w 1912 roku, zaczynając od zespołu ojca i syna brytyjskich fizyków, Williama Henry'ego Bragga i Williama Lawrence'a Bragga. Wykorzystali spektroskopię do zbadania, w jaki sposób promieniowanie rentgenowskie wchodzi w interakcje z atomami w kryształach. Ich technika, zwana krystalografią rentgenowską, stała się standardem w terenie w następnym roku i zdobyli Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1915 roku.
Jak działa spektroskopia rentgenowska
Gdy atom jest niestabilny lub bombardowany cząstkami o wysokiej energii, jego elektrony przechodzą z jednego poziomu energii na drugi. Gdy elektrony się dostosowują, pierwiastek absorbuje i uwalnia fotony rentgenowskie o wysokiej energii w sposób charakterystyczny dla atomów tworzących ten konkretny pierwiastek chemiczny. Spektroskopia rentgenowska mierzy te zmiany energii, co pozwala naukowcom zidentyfikować pierwiastki i zrozumieć, w jaki sposób atomy w różnych materiałach oddziałują.
Istnieją dwie główne techniki spektroskopii rentgenowskiej: spektroskopia rentgenowska z dyspersją długości fali (WDXS) i spektroskopia rentgenowska z dyspersją energii (EDXS). WDXS mierzy promienie rentgenowskie o pojedynczej długości fali, które są dyfrakcyjne przez kryształ. EDXS mierzy promieniowanie rentgenowskie emitowane przez elektrony stymulowane przez wysokoenergetyczne źródło naładowanych cząstek.
W obu technikach rozproszenie promieniowania wskazuje na strukturę atomową materiału, a zatem na elementy w analizowanym obiekcie.
Wiele aplikacji
Obecnie spektroskopia rentgenowska jest stosowana w wielu obszarach nauki i technologii, w tym w archeologii, astronomii, inżynierii i zdrowiu.
Antropolodzy i archeolodzy są w stanie odkryć ukryte informacje o starożytnych artefaktach i pozostałościach, które znajdują, analizując je za pomocą spektroskopii rentgenowskiej. Na przykład Lee Sharpe, profesor chemii w Grinnell College w Iowa i jego koledzy, zastosowali metodę zwaną spektroskopią fluorescencji rentgenowskiej (XRF), aby zidentyfikować pochodzenie obsydianowych grotów wykonanych przez prehistorycznych ludzi na północno-zachodnim zachodzie Ameryki Północnej. Zespół opublikował wyniki w październiku 2018 r. W czasopiśmie Journal of Archaeological Science: Reports.
Spektroskopia rentgenowska pomaga również astrofizykom dowiedzieć się więcej o tym, jak działają obiekty w przestrzeni kosmicznej. Na przykład naukowcy z Washington University w St. Louis planują obserwować promieniowanie rentgenowskie pochodzące z obiektów kosmicznych, takich jak czarne dziury, aby dowiedzieć się więcej o ich cechach. Zespół pod przewodnictwem Henryka Krawczyńskiego, eksperymentalnego i teoretycznego astrofizyka, planuje uruchomienie spektrometru rentgenowskiego zwanego polarymetrem rentgenowskim. Od grudnia 2018 r. Przyrząd zostanie zawieszony w atmosferze ziemskiej przez długi czas wypełniony helem balon.
Yury Gogotsi, chemik i inżynier materiałów z Drexel University w Pensylwanii, tworzy anteny natryskowe i membrany do odsalania wody z materiałami analizowanymi za pomocą spektroskopii rentgenowskiej.
Niewidoczne natryskowe anteny mają grubość zaledwie kilkudziesięciu nanometrów, ale są w stanie transmitować i kierować fale radiowe. Technika zwana spektroskopią absorpcyjną promieniowania rentgenowskiego (XAS) pomaga upewnić się, że skład niewiarygodnie cienkiego materiału jest prawidłowy i pomaga określić przewodnictwo. „Aby uzyskać dobre działanie anten, wymagana jest wysoka przewodność metaliczna, dlatego musimy ściśle monitorować materiał”, powiedział Gogotsi.
Gogotsi i jego koledzy wykorzystują również spektroskopię rentgenowską do analizy chemii powierzchni złożonych błon, które odsalają wodę, poprzez odfiltrowanie określonych jonów, takich jak sód.
Wykorzystanie spektroskopii rentgenowskiej można również znaleźć w kilku obszarach badań i praktyki medycznej, takich jak nowoczesne maszyny do tomografii komputerowej. Zbieranie widm absorpcji promieniowania rentgenowskiego podczas skanowania CT (za pomocą zliczania fotonów lub spektralnego skanera CT) może dostarczyć bardziej szczegółowych informacji i kontrastu na temat tego, co dzieje się w ciele, przy niższych dawkach promieniowania z promieni rentgenowskich i mniejszej lub niepotrzebnej konieczności użycia materiały kontrastowe (barwniki), według Phuong-Anh T. Duong, dyrektor CT w Emory University Department of Radiology and Imaging Sciences w Gruzji.
Dalej czytanie:
- Przeczytaj więcej o eksploratorze polarymetrycznym obrazowania rentgenowskiego NASA.
- Dowiedz się więcej na temat spektroskopii rentgenowskiej i utraty energii, od The National Renewable Energy Laboratory.
- Sprawdź serię planów lekcji na temat spektroskopii rentgenowskiej gwiazd z NASA.
