Рентгеновата спектроскопия е техника, която открива и измерва фотони или частици светлина, които имат дължина на вълната в рентгеновата част на електромагнитния спектър. Използва се, за да помогне на учените да разберат химичните и елементарни свойства на даден обект.
Има няколко различни метода на рентгенова спектроскопия, които се използват в много научни и технологични дисциплини, включително археология, астрономия и инженерство. Тези методи могат да се използват независимо или заедно, за да се създаде по-пълна картина на анализирания материал или обект.
История
Вилхелм Конрад Рьонтген, немски физик, е удостоен с първата Нобелова награда по физика през 1901 г. за откритието си на рентгенови лъчи през 1895 г. Новата му технология бързо се използва от други учени и лекари, според Националната лаборатория за ускорители на SLAC.
Чарлз Баркла, британски физик, провежда изследвания между 1906 и 1908 г., които довеждат до откритието му, че рентгеновите лъчи могат да бъдат характерни за отделните вещества. Работата му също му носи Нобелова награда по физика, но чак през 1917г.
Използването на рентгенова спектроскопия всъщност започва малко по-рано, през 1912 г., започвайки от екип баща и син на британски физици, Уилям Хенри Браг и Уилям Лорънс Браг. Те използваха спектроскопия, за да проучат как рентгеновото лъчение взаимодейства с атомите в кристалите. Техниката им, наречена рентгенова кристалография, е станала стандарт в областта на следващата година и те печелят Нобеловата награда по физика през 1915г.
Как работи рентгеновата спектроскопия
Когато един атом е нестабилен или е бомбардиран с високоенергийни частици, неговите електрони преминават от едно енергийно ниво на друго. Докато електроните се настройват, елементът абсорбира и освобождава високоенергийни рентгенови фотони по начин, характерен за атомите, които съставляват този конкретен химичен елемент. Рентгеновата спектроскопия измерва тези промени в енергията, което позволява на учените да идентифицират елементи и да разберат как взаимодействат атомите в рамките на различни материали.
Има две основни техники на рентгенова спектроскопия: рентгеноспектроскопия, диспергираща по дължина на вълната (WDXS) и енерго-дисперсивна рентгенова спектроскопия (EDXS). WDXS измерва рентгеновите лъчи с една дължина на вълната, които са дифракционирани от кристал. EDXS измерва рентгеновото лъчение, излъчвано от електрони, стимулирано от високо енергиен източник на заредени частици.
И в двете техники как се разпространява излъчването показва атомната структура на материала и следователно елементите в обекта, който се анализира.
Множество приложения
Днес рентгеновата спектроскопия се използва в много области на науката и технологиите, включително археология, астрономия, инженерство и здраве.
Антрополозите и археолозите са в състояние да открият скрита информация за древните артефакти и останки, които откриват, като ги анализират с рентгенова спектроскопия. Например, Лий Шарп, доцент по химия в колежа Grinnell в Айова, и неговите колеги използваха метод, наречен рентгенова флуоресцентна (XRF) спектроскопия, за да идентифицират произхода на обсидиановите стрелки, направени от праисторически хора в североамериканския югозапад. Екипът публикува резултатите си през октомври 2018 г. в Journal of Archaeological Science: Reports.
Рентгеновата спектроскопия също помага на астрофизиците да научат повече за това как работят обектите в космоса. Например, изследователи от Вашингтонския университет в Сейнт Луис планират да наблюдават рентгенови лъчи, които идват от космически обекти, например черни дупки, за да научат повече за техните характеристики. Екипът, воден от Хенрик Кравчински, експериментален и теоретичен астрофизик, планира да пусне тип рентгенов спектрометър, наречен рентгенов поляриметър. От декември 2018 г. инструментът ще бъде окачен в земната атмосфера от дълготраен балон, изпълнен с хелий.
Юрий Гогоци, химик и инженер по материали в университета Дрексел в Пенсилвания, създава спрей антени и водни обезсоляващи мембрани с материали, анализирани чрез рентгенова спектроскопия.
Невидимите антени за пръскане са с дебелина само няколко десетки нанометра, но са в състояние да предават и насочват радиовълни. Техника, наречена рентгенова абсорбционна спектроскопия (XAS), помага да се гарантира, че съставът на невероятно тънкия материал е правилен и помага да се определи проводимостта. „Високата метална проводимост е необходима за добра ефективност на антените, така че трябва да следим внимателно материала“, каза Гогоци.
Гогоци и неговите колеги също използват рентгенова спектроскопия за анализ на повърхностната химия на сложни мембрани, които обезсоляват водата чрез филтриране на специфични йони, като натрий.
Използването на рентгенова спектроскопия може да се намери и в няколко области на медицинските изследвания и практика, като например в съвременните машини за компютърно сканиране. Събирането на рентгенови абсорбционни спектри по време на CT сканиране (чрез преброяване на фотони или спектрален CT скенер) може да предостави по-подробна информация и контраст за случващото се вътре в тялото, с по-ниски дози радиация от рентгеновите лъчи и по-малко или няма нужда от използване контрастни материали (багрила), според Phuong-Anh T. Duong, директор на CT в Университетския отдел по радиология и образни науки в Джорджия.
още четене:
- Прочетете повече за изследването на рентгеновата поляриметрия на НАСА.
- Научете повече за рентгеновата и спектроскопия за загуба на енергия от Националната лаборатория за възобновяема енергия.
- Вижте тази серия от планове за уроци по рентгеновата спектроскопия на звезди, от НАСА.
