Rentgenska spektroskopija je tehnika, ki zazna in meri fotone ali delce svetlobe, ki imajo valovne dolžine v rentgenskem delu elektromagnetnega spektra. Znanstvenikom pomagajo razumeti kemijske in elementarne lastnosti predmeta.
Obstaja več različnih metod rentgenske spektroskopije, ki se uporabljajo v številnih disciplinah znanosti in tehnologije, vključno z arheologijo, astronomijo in inženirstvom. Te metode je mogoče uporabiti neodvisno ali skupaj za ustvarjanje celovitejše slike materiala ali predmeta, ki se analizira.
Zgodovina
Wilhelm Conrad Röntgen, nemški fizik, je prejel prvo Nobelovo nagrado za fiziko leta 1901 za svoje odkritje rentgenskih žarkov leta 1895. Njegovo novo tehnologijo so hitro začeli uporabljati drugi znanstveniki in zdravniki, poroča SLAC National Accelerator Laboratory.
Charles Barkla, britanski fizik, je med letoma 1906 in 1908 izvedel raziskave, ki so privedle do njegovega odkritja, da so lahko rentgenski žarki značilni za posamezne snovi. Delo mu je prineslo tudi Nobelovo nagrado za fiziko, vendar šele leta 1917.
Uporaba rentgenske spektroskopije se je v resnici začela nekoliko prej, leta 1912, začenši z očetovo in sinje ekipo britanskih fizikov Williama Henryja Bragga in Williama Lawrencea Bragga. S pomočjo spektroskopije so preučili, kako je rentgensko sevanje medsebojno vplivalo na atome znotraj kristalov. Njihova tehnika, imenovana rentgenska kristalografija, je bila naslednje leto standard na tem področju in leta 1915 so dobili Nobelovo nagrado za fiziko.
Kako deluje rentgenska spektroskopija
Kadar je atom nestabilen ali je bombardiran z visokoenergetskimi delci, se njegovi elektroni prehajajo z ene energijske ravni na drugo. Ko se elektroni prilagajajo, element absorbira in sprošča visokoenergijske rentnske fotone na način, ki je značilen za atome, ki sestavljajo ta določen kemični element. Rentgenska spektroskopija meri tiste spremembe energije, ki znanstvenikom omogočajo, da prepoznajo elemente in razumejo, kako medsebojno delujejo atomi.
Obstajata dve glavni tehniki rentgenske spektroskopije: valovno dolžina disperzijska rentgenska spektroskopija (WDXS) in energijsko disperzijska rentgenska spektroskopija (EDXS). WDXS meri rentgenske žarke ene valovne dolžine, ki jih difrira kristal. EDXS meri rentgensko sevanje, ki ga oddajajo elektroni, ki jih stimulira visoko energijski vir nabitih delcev.
V obeh tehnikah razpršitev sevanja kaže na atomsko strukturo materiala in s tem na elemente znotraj predmeta, ki se analizira.
Več aplikacij
Danes se rentgenska spektroskopija uporablja na številnih znanstvenih in tehnoloških področjih, vključno z arheologijo, astronomijo, inženirstvom in zdravjem.
Antropologi in arheologi lahko odkrijejo skrite podatke o starodavnih artefaktih in ostanke, ki jih najdejo, z analizo z rentgensko spektroskopijo. Na primer, Lee Sharpe, izredni profesor za kemijo na kolidžu Grinnell v Iowi, in njegovi sodelavci so uporabili metodo, imenovano spektroskopija z rentgensko fluorescenco (XRF), da bi prepoznali izvor obsidijanskih puščic, ki so jih izdelali prazgodovinski ljudje na severnoameriškem jugozahodu. Skupina je svoje rezultate objavila oktobra 2018 v reviji Journal of Archaeological Science: Reports.
Rentgenska spektroskopija pomaga tudi astrofizikom, da se naučijo več o tem, kako delujejo predmeti v vesolju. Na primer, raziskovalci z univerze Washington v St. Louisu načrtujejo opazovanje rentgenskih žarkov, ki prihajajo iz kozmičnih predmetov, kot so črne luknje, da bi izvedeli več o njihovih značilnostih. Skupina, ki jo vodi Henric Krawczynski, eksperimentalni in teoretični astrofizik, načrtuje uvedbo tipa rentgenskega spektrometra, imenovanega rentgenski polarimeter. Od decembra 2018 bo instrument v Zemljini atmosferi viseč balon, napolnjen s helijem.
Yury Gogotsi, kemik in inženir materialov z univerze Drexel v Pensilvaniji, ustvarja antene za pršenje in razsoljevanje z materiali, analiziranimi z rentgensko spektroskopijo.
Nevidne antene za brizganje so debele le nekaj deset nanometrov, vendar lahko prenašajo in usmerjajo radijske valove. Tehnika imenovana rentgenska absorpcijska spektroskopija (XAS) pomaga zagotoviti, da je sestava neverjetno tankega materiala pravilna in pomaga določiti prevodnost. "Za dobro delovanje anten je potrebna visoka kovinska prevodnost, zato moramo material natančno spremljati," je dejal Gogotsi.
Gogotsi in njegovi sodelavci uporabljajo tudi rentgensko spektroskopijo za analizo površinske kemije kompleksnih membran, ki razsoljujejo vodo s filtriranjem posebnih ionov, kot je natrij.
Uporaba rentgenske spektroskopije najdemo tudi na več področjih medicinskih raziskav in prakse, na primer v sodobnih strojih za skeniranje CT. Zbiranje absorpcijskih spektrov rentgenskih žarkov med CT skeniranjem (s štetjem fotonov ali spektralnim CT skenerjem) lahko zagotovi podrobnejše informacije in kontrast o tem, kaj se dogaja v telesu, z nižjimi odmerki sevanja iz rentgenskih žarkov in manj ali brez potrebe po uporabi kontrastni materiali (barvila), pravi Phuong-Anh T. Duong, direktor CT na Oddelku za radiologijo in slikovne vede Univerze Emory v Gruziji.
Nadalje branje:
- Preberite več o NASA-in slikarju za slikanje X-Ray Polarimetry.
- Več o rentgenskem žarku in spektroskopiji, ki izgublja energijo, iz Nacionalnega laboratorija za obnovljivo energijo.
- Oglejte si to serijo učnih načrtov na rentgenski spektroskopiji zvezd, ki jo je napisal NASA.
