Cameron Merritt
0 
4396
875
Spektroskopia rentgenowska to technika, która wykrywa i mierzy fotony lub cząstki światła o długościach fal w rentgenowskiej części widma elektromagnetycznego. Jest używany, aby pomóc naukowcom zrozumieć właściwości chemiczne i pierwiastkowe obiektu.
Istnieje kilka różnych metod spektroskopii rentgenowskiej, które są wykorzystywane w wielu dyscyplinach nauki i technologii, w tym w archeologii, astronomii i inżynierii. Metody te można stosować niezależnie lub łącznie, aby stworzyć pełniejszy obraz analizowanego materiału lub przedmiotu.
Historia
Wilhelm Conrad Röntgen, niemiecki fizyk, otrzymał pierwszą Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1901 r. Za odkrycie promieni rentgenowskich w 1895 r. Jego nowa technologia została szybko wykorzystana przez innych naukowców i lekarzy, jak podaje SLAC National Accelerator Laboratory..
Charles Barkla, brytyjski fizyk, prowadził w latach 1906–1908 badania, które doprowadziły do jego odkrycia, że promieniowanie rentgenowskie może być charakterystyczne dla poszczególnych substancji. Jego praca przyniosła mu również Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki, ale dopiero w 1917 roku.
Wykorzystanie spektroskopii rentgenowskiej faktycznie zaczęło się nieco wcześniej, w 1912 roku, począwszy od zespołu brytyjskich fizyków Williama Henry'ego Bragga i Williama Lawrence'a Bragga, składającego się z ojca i syna. Wykorzystali spektroskopię do zbadania, jak promieniowanie rentgenowskie oddziałuje z atomami w kryształach. Ich technika, zwana krystalografią rentgenowską, stała się standardem w tej dziedzinie w następnym roku i zdobyli Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1915 roku..
Jak działa spektroskopia rentgenowska
Kiedy atom jest niestabilny lub jest bombardowany cząstkami o wysokiej energii, jego elektrony przechodzą z jednego poziomu energii na inny. Gdy elektrony dostosowują się, pierwiastek absorbuje i uwalnia fotony promieniowania rentgenowskiego 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 oddziałują ze sobą atomy w różnych materiałach.
Istnieją dwie główne techniki spektroskopii rentgenowskiej: spektroskopia rentgenowska z dyspersją długości fal (WDXS) i spektroskopia rentgenowska z dyspersją energii (EDXS). WDXS mierzy promieniowanie rentgenowskie o pojedynczej długości fali, które jest ugięte przez kryształ. EDXS mierzy promieniowanie rentgenowskie emitowane przez elektrony stymulowane przez wysokoenergetyczne źródło naładowanych cząstek.
W obu technikach sposób rozpraszania promieniowania wskazuje na strukturę atomową materiału, a tym samym na pierwiastki w analizowanym obiekcie.
Wiele aplikacji
Obecnie spektroskopia rentgenowska znajduje zastosowanie w wielu dziedzinach nauki i technologii, w tym w archeologii, astronomii, inżynierii i zdrowiu.
Antropolodzy i archeolodzy są w stanie odkryć ukryte informacje o starożytnych artefaktach i znalezionych pozostałościach, 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 strzał wykonanych przez prehistorycznych ludzi z południowego zachodu Ameryki Północnej. Zespół opublikował swoje wyniki w październiku 2018 w Journal of Archaeological Science: Reports.
Spektroskopia rentgenowska pomaga również astrofizykom dowiedzieć się więcej o tym, jak działają obiekty w kosmosie. 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 charakterystyce. Zespół, kierowany przez Henrica Krawczyńskiego, astrofizyka eksperymentalnego i teoretycznego, planuje wypuścić typ spektrometru rentgenowskiego zwany polarymetrem rentgenowskim. Od grudnia 2018 roku instrument zostanie zawieszony w ziemskiej atmosferze przez długi czas balonu wypełnionego helem.
Yury Gogotsi, chemik i inżynier materiałowy na Uniwersytecie Drexel w Pensylwanii, tworzy anteny natryskowe i membrany do odsalania wody z materiałów analizowanych za pomocą spektroskopii rentgenowskiej.
Niewidoczne anteny natryskowe mają grubość zaledwie kilkudziesięciu nanometrów, ale są w stanie przesyłać i kierować falami radiowymi. Technika zwana spektroskopią absorpcji promieniowania rentgenowskiego (XAS) pomaga zapewnić prawidłowy skład niewiarygodnie cienkiego materiału i pomaga określić przewodnictwo. “Wysoka przewodność metaliczna jest wymagana do dobrego działania anten, dlatego musimy uważnie monitorować materiał,” Powiedział Gogotsi.
Gogotsi i jego koledzy używają również spektroskopii rentgenowskiej do analizy chemii powierzchni złożonych membran, które odsalają wodę poprzez odfiltrowanie określonych jonów, takich jak sód.
Zastosowanie spektroskopii rentgenowskiej można również znaleźć w kilku obszarach badań i praktyki medycznej, na przykład w nowoczesnych maszynach do tomografii komputerowej. Zbieranie widm absorpcji promieni rentgenowskich podczas skanów CT (poprzez zliczanie fotonów lub spektralny skaner CT) może dostarczyć bardziej szczegółowych informacji i kontrastu na temat tego, co dzieje się wewnątrz ciała, przy niższych dawkach promieniowania rentgenowskiego i mniejszej lub zerowej potrzebie stosowania materiały kontrastowe (barwniki), według Phuong-Anh T. Duong, dyrektora CT na Wydziale Radiologii i Nauk Obrazowych Uniwersytetu Emory w Gruzji.
Dalej czytanie:
- Przeczytaj więcej o eksploratorze obrazowania polarymetrii rentgenowskiej NASA.
- Dowiedz się więcej o rentgenogramie i spektroskopii strat energii z The National Renewable Energy Laboratory.
- Zapoznaj się z tą serią scenariuszy lekcji na temat spektroskopii rentgenowskiej gwiazd z NASA.