Рентгенівська спектроскопія - це техніка, яка виявляє і вимірює фотони або частинки світла, що мають довжину хвилі в рентгенівській частині електромагнітного спектру. Він використовується, щоб допомогти вченим зрозуміти хімічні та елементарні властивості предмета.
Існує кілька різних методів рентгенівської спектроскопії, які застосовуються в багатьох наукових і технічних дисциплінах, включаючи археологію, астрономію та техніку. Ці методи можна використовувати самостійно або разом для створення більш повної картини матеріалу чи об'єкта, що аналізується.
Історія
Вільгельм Конрад Рентген, німецький фізик, отримав першу Нобелівську премію з фізики в 1901 році за відкриття рентгенівських променів у 1895 році. Його нова технологія була швидко використана іншими вченими та лікарями, згідно з даними Національної лабораторії прискорювачів SLAC.
Чарльз Баркла, британський фізик, проводив дослідження між 1906 і 1908 роками, які привели до його відкриття, що рентгенівські промені можуть бути характерними для окремих речовин. Його робота також принесла йому Нобелівську премію з фізики, але лише до 1917 року.
Використання рентгенівської спектроскопії насправді почалося трохи раніше, у 1912 році, починаючи з команди батька і сина британських фізиків Вільяма Генрі Брегга та Вільяма Лоуренса Брегга. Вони використовували спектроскопію для вивчення того, як рентгенівське випромінювання взаємоділо з атомами всередині кристалів. Їх техніка, що отримала назву рентгенівська кристалографія, стала наступним етапом у цій галузі на наступний рік і вони отримали Нобелівську премію з фізики в 1915 році.
Як працює рентгенівська спектроскопія
Коли атом нестабільний або бомбардується частинками високої енергії, його електрони переходять з одного енергетичного рівня на інший. У міру регулювання електронів елемент поглинає та випускає високоенергетичні рентгенові фотони таким чином, що характерно для атомів, що складають саме цей хімічний елемент. Рентгенівська спектроскопія вимірює ті зміни енергії, які дозволяють вченим ідентифікувати елементи та розуміти, як взаємодіють атоми в різних матеріалах.
Існує дві основні методи рентгенівської спектроскопії: рентгенівська спектроскопія по довжині хвиль (WDXS) та енергетично-дисперсна рентгенівська спектроскопія (EDXS). WDXS вимірює рентгенівські промені однієї довжини хвилі, які дифракційні кристалом. EDXS вимірює рентгенівське випромінювання, випромінюване електронами, стимульоване високоенергетичним джерелом заряджених частинок.
В обох методах спосіб розподілу випромінювання вказує на атомну структуру матеріалу, а отже, на елементи, що аналізуються.
Кілька додатків
Сьогодні рентгенівська спектроскопія використовується в багатьох областях науки і техніки, включаючи археологію, астрономію, техніку та здоров'я.
Антропологи та археологи в змозі виявити приховану інформацію про стародавні артефакти і залишки, які вони знаходять, аналізуючи їх за допомогою рентгенівської спектроскопії. Наприклад, Лі Шарп, доцент хімії в коледжі Гріннелла в штаті Айова, та його колеги використовували метод, який називають рентгенівською флуоресцентною (XRF) спектроскопією, щоб ідентифікувати походження обсидіанових наконечників стріл, виготовлених доісторичними людьми на північноамериканському південно-західному південному заході. Команда опублікувала свої результати у жовтні 2018 року у журналі Archaeological Science: Reports.
Рентгенівська спектроскопія також допомагає астрофізикам дізнатися більше про те, як працюють об’єкти в космосі. Наприклад, дослідники з Вашингтонського університету в Сент-Луїсі планують спостерігати рентгенівські промені, які надходять від космічних об'єктів, таких як чорні діри, щоб дізнатися більше про їх характеристики. Команда, яку очолює Генрік Кравчинський, експериментальний та теоретичний астрофізик, планує запустити тип рентгенівського спектрометра, який називається рентгенівським поляриметром. Починаючи з грудня 2018 року, прилад буде завішений в атмосфері Землі довгим балоном, наповненим гелієм.
Юрій Гогоці, хімік і інженер з матеріалів університету Дрексель в Пенсильванії, створює розпилювальні антени та водоочисні мембрани з матеріалами, проаналізованими за допомогою рентгенівської спектроскопії.
Невидимі розпилювальні антени товщиною лише кілька десятків нанометрів, але здатні передавати та направляти радіохвилі. Метод, який називається рентгенівською поглинальною спектроскопією (XAS), допомагає забезпечити правильність складу неймовірно тонкого матеріалу та допомагає визначити провідність. "Для високої продуктивності антен необхідна висока металева провідність, тому ми повинні уважно стежити за матеріалом", - сказав Гогоці.
Гогоці та його колеги також використовують рентгенівську спектроскопію для аналізу поверхневої хімії складних мембран, які знесолюють воду шляхом фільтрації конкретних іонів, таких як натрій.
Використання рентгенівської спектроскопії також може бути знайдено в кількох областях медичних досліджень та практиці, наприклад, в сучасних апаратах КТ. Збір спектрів поглинання рентгенівських променів під час КТ (за допомогою підрахунку фотонів або спектрального КТ-сканера) може надати більш детальну інформацію та контраст про те, що відбувається всередині організму, з меншими дозами опромінення від рентгенівських променів і меншою або відсутністю необхідності у використанні контрастні матеріали (барвники), за словами Пхуонг-Ан Т. Дуонга, директора з КТ відділу радіології та візуалізації університету Еморі в Грузії.
Далі читання:
- Детальніше про дослідницьку рентгенологічну поляриметрію NASA.
- Дізнайтеся більше про рентгенівську та спектроскопію втрат енергії у Національній лабораторії з відновлюваної енергії.
- Ознайомтеся з цією серією планів уроків на рентгенівській спектроскопії зірок від NASA.
