Rentgenstaru spektroskopija ir tehnika, kas nosaka un mēra fotonus vai gaismas daļiņas, kuru viļņu garums ir elektromagnētiskā spektra rentgenstaru daļā. Tas tiek izmantots, lai palīdzētu zinātniekiem izprast objekta ķīmiskās un elementārās īpašības.
Ir vairākas dažādas rentgenstaru spektroskopijas metodes, kuras izmanto daudzās zinātnes un tehnoloģijas disciplīnās, ieskaitot arheoloģiju, astronomiju un inženierzinātnes. Šīs metodes var izmantot neatkarīgi vai kopā, lai izveidotu pilnīgāku analizējamā materiāla vai objekta attēlu.
Vēsture
Vācu fiziķim Vilhelmam Konrādam Röntgenam 1901. gadā tika piešķirta pirmā Nobela prēmija fizikā par rentgenstaru atklāšanu 1895. gadā. Viņa jauno tehnoloģiju ātri izmantoja citi zinātnieki un ārsti, norāda SLAC Nacionālā paātrinātāja laboratorija.
Čārlzs Barkla, britu fiziķis, laikā no 1906. līdz 1908. gadam veica pētījumus, kas noveda pie viņa atklājuma, ka rentgenstari var būt raksturīgi atsevišķām vielām. Viņa darbs viņam nopelnīja arī Nobela prēmiju fizikā, bet tikai 1917. gadā.
Rentgenstaru spektroskopijas izmantošana faktiski sākās nedaudz agrāk, 1912. gadā, sākot ar britu fiziķu Viljama Henrija Braga un Viljama Lorensa Braga tēva un dēla komandu. Viņi izmantoja spektroskopiju, lai izpētītu, kā rentgenstaru starojums mijiedarbojās ar kristālu atomiem. Viņu tehnika, ko sauca par rentgena kristalogrāfiju, nākamajā gadā kļuva par standarta standartu, un viņi 1915. gadā ieguva Nobela prēmiju fizikā.
Kā darbojas rentgena spektroskopija
Ja atoms ir nestabils vai tiek bombardēts ar augstas enerģijas daļiņām, tā elektroni pārejas no viena enerģijas līmeņa uz otru. Kad elektroni pielāgojas, elements absorbē un izdala augstas enerģijas rentgenstaru fotonus veidā, kas raksturīgs atomiem, kas veido šo ķīmisko elementu. Rentgenstaru spektroskopija mēra šīs enerģijas izmaiņas, kas ļauj zinātniekiem identificēt elementus un saprast, kā dažādu materiālu atomi mijiedarbojas.
Ir divas galvenās rentgenstaru spektroskopijas metodes: viļņu garumā izkliedējošā rentgena spektroskopija (WDXS) un enerģiju izkliedējošā rentgena spektroskopija (EDXS). WDXS mēra viena viļņa garuma rentgenstarus, kurus izkliedē kristāls. EDXS mēra elektronu izstaroto rentgena starojumu, ko stimulē lādētu daļiņu augstas enerģijas avots.
Abos paņēmienos izkliedes izkliedēšana norāda uz materiāla atomu struktūru un līdz ar to arī uz analizējamā objekta elementiem.
Vairāki pieteikumi
Mūsdienās rentgenstaru spektroskopija tiek izmantota daudzās zinātnes un tehnoloģijas jomās, ieskaitot arheoloģiju, astronomiju, inženierzinātnes un veselību.
Antropologi un arheologi spēj atklāt slēptu informāciju par seniem artefaktiem un to atliekām, ko viņi atrod, analizējot tos ar rentgena spektroskopiju. Piemēram, Lī Šarpe, Aiovas Grinela koledžas ķīmijas asociētais profesors un viņa kolēģi, izmantoja metodi, ko sauc par rentgenstaru fluorescences (XRF) spektroskopiju, lai identificētu obsidiānu bultu galviņu izcelsmi, ko aizvēsturiski cilvēki veica Ziemeļamerikas dienvidrietumos. Komanda savus rezultātus publicēja 2018. gada oktobrī žurnālā Archaeological Science: Reports.
Rentgena spektroskopija arī palīdz astrofiziķiem uzzināt vairāk par to, kā objekti kosmosā darbojas. Piemēram, pētnieki no Vašingtonas universitātes Sentluisā plāno novērot rentgenstarus, kas nāk no kosmiskiem objektiem, piemēram, melnajiem caurumiem, lai uzzinātu vairāk par to īpašībām. Komanda, kuru vada eksperimentālais un teorētiskais astrofiziķis Henriks Krawczynski, plāno uzsākt rentgenstaru spektrometra tipu, ko sauc par rentgena polarimetru. Sākot no 2018. gada decembra, instrumentu Zemes atmosfērā aptur ar ilgstošu, ar hēliju piepildītu balonu.
Pensilvānijas Drexel universitātes ķīmiķis un materiālu inženieris Jurijs Gogotsi ar aerosola spektroskopijas palīdzību analizētajiem materiāliem rada izsmidzināmas antenas un ūdens atsāļošanas membrānas.
Neredzamās izsmidzināmās antenas ir tikai dažus desmitus nanometru biezas, taču tās var pārraidīt un virzīt radioviļņus. Paņēmiens, ko sauc par rentgenstaru absorbcijas spektroskopiju (XAS), palīdz pārliecināties par neticami plāna materiāla sastāvu un palīdz noteikt vadītspēju. “Lai antenu darbība būtu laba, ir nepieciešama augsta metāla vadītspēja, tāpēc mums ir rūpīgi jāuzrauga materiāls,” sacīja Gogotsi.
Gogotsi un viņa kolēģi arī izmanto rentgenstaru spektroskopiju, lai analizētu sarežģītu membrānu, kas atsāļo ūdeni, virsmas ķīmiju, filtrējot īpašus jonus, piemēram, nātriju.
Rentgenstaru spektroskopijas izmantošana ir atrodama arī vairākās medicīniskās izpētes un prakses jomās, piemēram, mūsdienu CT skenēšanas mašīnās. Apkopojot rentgenstaru absorbcijas spektrus CT skenēšanas laikā (izmantojot fotonu skaitīšanu vai CT spektrālo skeneri), var iegūt detalizētāku informāciju un kontrastu par to, kas notiek ķermenī, ar zemākām rentgena starojuma devām un mazāk nepieciešamības izmantot kontrastvielas (krāsvielas), saka Phuong-Anh T. Duong, Emory universitātes Radioloģijas un attēlveidošanas zinātņu departamenta CT direktors Džordžijā.
Tālāk lasīšana:
- Lasiet vairāk par NASA attēlveidošanas rentgenstaru polarimetrijas pārlūku.
- Uzziniet vairāk par rentgenstaru un enerģijas zudumu spektroskopiju no Nacionālās atjaunojamās enerģijas laboratorijas.
- Iepazīstieties ar šo NASA stundu stundu plānu sēriju par zvaigžņu rentgenstaru spektroskopiju.
