Röntgenspektroskopia on tekniikka, joka havaitsee ja mittaa fotonit tai valon hiukkaset, joiden aallonpituudet ovat sähkömagneettisen spektrin röntgenosassa. Sitä käytetään auttamaan tutkijoita ymmärtämään esineen kemialliset ja alkuaineominaisuudet.
On olemassa useita erilaisia röntgenspektroskopiamenetelmiä, joita käytetään monilla tieteen ja tekniikan aloilla, mukaan lukien arkeologia, tähtitiede ja tekniikka. Näitä menetelmiä voidaan käyttää itsenäisesti tai yhdessä luomalla analysoitavasta materiaalista tai esineestä täydellisempi kuva.
Historia
Saksalainen fyysikko Wilhelm Conrad Röntgen sai ensimmäisen fysiikan Nobel-palkinnon vuonna 1901 röntgensäteiden havaitsemisesta vuonna 1895. SLAC: n kansallisen kiihdytinlaboratorion mukaan uudet tekniikat otettiin nopeasti käyttöön muiden tutkijoiden ja lääkäreiden toimesta.
Brittiläinen fyysikko Charles Barkla teki tutkimuksia vuosien 1906 ja 1908 välillä, mikä johti löytölle, että röntgenkuvat olivat ominaisia yksittäisille aineille. Hänen työnsä ansaitsi hänelle myös fysiikan Nobel-palkinnon, mutta vasta vuonna 1917.
Röntgenspektroskopian käyttö alkoi tosiaan vähän aikaisemmin, vuonna 1912, alkaen brittiläisten fyysikkojen, William Henry Braggin ja William Lawrence Braggin isä-poika -tiimistä. He käyttivät spektroskopiaa tutkiakseen kuinka röntgensäteily oli vuorovaikutuksessa kiteissä olevien atomien kanssa. Heidän tekniikastaan, nimeltään röntgenkristallografia, tehtiin alan standardiksi seuraavana vuonna, ja he voittivat fysiikan Nobel-palkinnon vuonna 1915.
Kuinka röntgenspektroskopia toimii?
Kun atomi on epävakaa tai pommitetaan suurienergiahiukkasilla, sen elektronit siirtyvät energiatasolta toiselle. Kun elektronit säätävät, elementti absorboi ja vapauttaa suuren energian röntgenfotoneja tavalla, joka on ominaista atomille, jotka muodostavat kyseisen kemiallisen elementin. Röntgenspektroskopia mittaa näitä energian muutoksia, mikä antaa tutkijoille mahdollisuuden tunnistaa elementit ja ymmärtää kuinka eri materiaalien atomit ovat vuorovaikutuksessa.
On olemassa kaksi pääröntgen-spektroskopian tekniikkaa: aallonpituuteen hajottava röntgenspektroskopia (WDXS) ja energiaa hajottava röntgenspektroskopia (EDXS). WDXS mittaa yksittäisen aallonpituuden röntgensäteitä, jotka erottelevat kide. EDXS mittaa elektronien lähettämää röntgensäteilyä, jota stimuloi varautuneiden hiukkasten korkean energian lähde.
Kummassakin tekniikassa säteilyn hajaantuminen osoittaa materiaalin atomirakenteen ja sen vuoksi elementit tutkittavan kohteen sisällä.
Useita sovelluksia
Nykyään röntgenspektroskopiaa käytetään monilla tieteen ja tekniikan aloilla, mukaan lukien arkeologia, tähtitiede, tekniikka ja terveys.
Antropologit ja arkeologit pystyvät löytämään piilotettuja tietoja muinaisista esineistä ja löytöistä, joita ne löytävät analysoimalla niitä röntgenspektroskopialla. Esimerkiksi Iowan Grinnell-yliopiston kemian apulaisprofessori Lee Sharpe ja hänen kollegansa käyttivät röntgenfluoresenssispektroskopian, XRF-spektroskopian, tunnistusta esihistoriallisista ihmisistä Pohjois-Amerikan lounaisosassa tekemien obsidiaanisten nuolenpäiden alkuperästä. Ryhmä julkaisi tuloksensa lokakuussa 2018 lehdessä Archaeological Science: Reports.
Röntgenspektroskopia auttaa myös astrofysiikkoja oppimaan lisää siitä, kuinka avaruuden esineet toimivat. Esimerkiksi St. Louisin Washingtonin yliopiston tutkijat suunnittelevat tarkkailevansa kosmisten esineiden, kuten mustien reikien, röntgensäteitä saadakseen lisätietoja niiden ominaisuuksista. Ryhmä, jota johtaa kokeellisen ja teoreettisen astrofysiikan tutkija Henric Krawczynski, aikoo käynnistää tyypin röntgenspektrometrin, jota kutsutaan röntgenpolarimetriksi. Joulukuusta 2018 alkaen instrumentti ripustetaan maan ilmakehään pitkäkestoisella, heliumilla täytetyllä palloilla.
Pennsylvanian Drexel-yliopiston kemisti ja materiaalitekniikkatekijä Yury Gogotsi luo spray-antenneja ja veden suolanpoistomembraaneja röntgenspektroskopian avulla analysoiduilla materiaaleilla.
Näkymättömät ruiskutettavat antennit ovat vain muutaman kymmenen nanometrin paksuisia, mutta ne pystyvät lähettämään ja ohjaamaan radioaaltoja. Röntgen-absorptiospektroskopia (XAS) -tekniikka auttaa varmistamaan uskomattoman ohuen materiaalin koostumuksen oikeellisuuden ja auttaa määrittämään johtavuuden. "Antennien hyvästä suorituskyvystä vaaditaan korkea metallinjohtavuus, joten materiaalia on tarkkailtava tarkkaan", Gogotsi sanoi.
Gogotsi ja hänen kollegansa analysoivat myös röntgenspektroskopiaa analysoidakseen monimutkaisten kalvojen pintakemiaa, jotka suolaavat vettä suodattamalla erityisiä ioneja, kuten natriumia.
Röntgenspektroskopian käyttö löytyy myös useilta lääketieteellisen tutkimuksen ja käytännön alueilta, kuten nykyaikaisissa CT-skannauslaitteissa. Röntgen-absorptiospektrien kerääminen CT-skannauksen aikana (fotoninlaskennan tai spektrisen CT-skannerin avulla) voi tarjota yksityiskohtaisempaa tietoa ja kontrastia kehon sisällä tapahtuvasta, jolloin röntgensäteiden säteilyannokset ovat pienempiä ja niiden käyttöä on vähemmän tai ei tarvita kontrastimateriaalit (väriaineet), Georgian Emoryn yliopiston radiologian ja kuvantamisen tieteiden laitoksen CT-johtajan Phuong-Anh T. Duongin mukaan.
Edelleen lukeminen:
- Lue lisää NASAn kuvantamisröntgenpolarimetrian tutkijasta.
- Lisätietoja röntgen- ja energiahäviöspektroskopiasta Kansalliselta uusiutuvan energian laboratoriosta.
- Tutustu tähän sarjaan tuntisuunnitelmasarjaa tähtijen röntgenspektroskopialla NASA: lta.
