A röntgenspektroszkópia olyan technika, amely felismeri és megméri a fotonokat vagy fényrészecskéket, amelyek hullámhosszai az elektromágneses spektrum röntgenrészében vannak. Arra szolgál, hogy segítsék a tudósok megérteni egy tárgy kémiai és elemi tulajdonságait.
Számos különféle röntgen-spektroszkópiás módszer létezik, amelyet a tudomány és a technológia számos tudományágában alkalmaznak, ideértve a régészetet, a csillagászatot és a műszaki tudományokat is. Ezek a módszerek egymástól függetlenül vagy együttesen felhasználhatók az elemzett anyag vagy tárgy teljesebb képének létrehozására.
Történelem
Wilhelm Conrad Röntgen német fizikus 1901-ben első fizikai Nobel-díjat kapott a röntgenfelvételek 1895-ben történt felfedezéséért. Az új technológiát más tudósok és orvosok gyorsan felhasználták a SLAC Nemzeti Gyorsító laboratórium szerint.
Charles Barkla, egy brit fizikus, 1906 és 1908 között kutatásokat végzett, amelyek felfedezéséhez vezettek, hogy a röntgenkép jellemző lehet az egyes anyagokra. Munkája Nobel-díjat kapott a fizikában, de csak 1917-ben.
A röntgen-spektroszkópia használata kicsit korábban, 1912-ben kezdődött el, kezdve a brit fizikusok, William Henry Bragg és William Lawrence Bragg apja-fia csapatával. Spektroszkópiával tanulmányozták, hogy a röntgen sugárzás miként interakcióba lép a kristályok atomjaival. A röntgenkrisztallográfiának nevezett technikájukat a következő évben szabványossá tették a területen, és 1915-ben megnyerték a fizika Nobel-díját.
Hogyan működik a röntgenspektroszkópia?
Ha egy atom instabil, vagy nagy energiájú részecskéket bombáznak, elektronjai átmennek az egyik energiaszintről a másikra. Amint az elektronok beállítódnak, az elem abszorbeálja és felszabadítja a nagy energiájú röntgen fotonokat oly módon, hogy az jellemző legyen az adott kémiai elemet alkotó atomokra. A röntgenspektroszkópia az energiában bekövetkező változásokat méri, amely lehetővé teszi a tudósok számára az elemek azonosítását és megértését, a különböző anyagok atomjainak kölcsönhatásait.
Két fő röntgen-spektroszkópiás módszer létezik: hullámhosszon diszpergáló röntgenspektroszkópia (WDXS) és energia-diszperzív röntgenspektroszkópia (EDXS). A WDXS méri az egy hullámhosszú, a kristály által diffúzált röntgenképeket. Az EDXS a nagy energiájú töltött részecskék által stimulált elektronok által kibocsátott röntgen sugárzást méri.
Mindkét módszernél a sugárzás eloszlása jelzi az anyag atomszerkezetét, és ezért az elemzendő tárgyon belüli elemeket.
Több alkalmazás
Manapság a röntgenspektroszkópiát a tudomány és a technológia számos területén alkalmazzák, ideértve a régészetet, a csillagászatot, a mérnöki munkát és az egészségügyet is.
Az antropológusok és a régészek rejtett információkat fedezhetnek fel az ősi leletekről és maradványaikról, amelyeket röntgen-spektroszkópiával elemeznek. Például Lee Sharpe, az Iowai Grinnell Főiskola kémia professzora és munkatársai a röntgen fluoreszcencia (XRF) spektroszkópiának nevezték el az észak-amerikai délnyugati őskorban őskori emberek által készített obszidián nyílhegyek eredete azonosításának módszerét. A csoport eredményeit 2018 októberében közzétette a Journal of Archaeological Science: Reports-ban.
A röntgenspektroszkópia segíti az asztrofizikusokat abban, hogy többet megtudjanak az űrben lévő tárgyak működéséről. Például a St. Louis washingtoni egyetem kutatói tervezik megfigyelni a kozmikus tárgyakból származó röntgenfelvételeket, például a fekete lyukakat, hogy megismerjék tulajdonságaikat. A csapat, melyet egy kísérleti és elméleti asztrofizikus, Henric Krawczynski vezet, egy ilyen típusú röntgen-spektrométer elindítását tervezi. 2018. december elejétől a műszert felfüggeszti a Föld légkörében egy hosszú távú, héliummal töltött ballon.
Yury Gogotsi, a vegyész és a mérnök a Drexel Egyetemen, Pennsylvaniában, spray-antennákat és víz-sótalanító membránokat készít röntgen-spektroszkópiásan elemzett anyagokkal.
A láthatatlan szórásantennák csak néhány tucat nanométer vastagok, de képesek rádióhullámokat továbbítani és irányítani. A röntgen abszorpciós spektroszkópia (XAS) elnevezésű módszer segíti a hihetetlenül vékony anyag összetételének helyességét és a vezetőképesség meghatározását. "Magas fémvezetőképesség szükséges az antennák jó teljesítményéhez, ezért alaposan figyelemmel kell kísérnünk az anyagot" - mondta Gogotsi.
Gogotsi és kollégái röntgen-spektroszkópiát is használnak a komplex membránok felületi kémiájának elemzésére, amelyek a vizet sótalanítják speciális ionok, például nátrium kiszűrésével.
A röntgenspektroszkópia alkalmazása az orvosi kutatás és gyakorlat számos területén megtalálható, például a modern CT-letapogatógépeknél. A röntgensugár-abszorpciós spektrumok összegyűjtése a CT-szkennelés során (fotonszámlálóval vagy spektrális CT-letapogatóval) részletesebb információkat és kontrasztot nyújthat a testben zajló eseményekről, alacsonyabb röntgen-sugárzási dózisokkal, és kevésbé vagy nincs szükség felhasználásra kontrasztanyagok (festékek) - mondta Phuong-Anh T. Duong, a grúziai Emory Egyetem Radiológiai és Képalkotó Tudományok Tanszékének CT igazgatója.
További olvasás:
- További információ a NASA képalkotó röntgen polarimetriai felfedezőjéről.
- Tudjon meg többet a röntgen és az energiaveszteség spektroszkópiáról a Nemzeti Megújuló Energia Laboratóriumban.
- Nézze meg a csillagok röntgen-spektroszkópiájával foglalkozó tantervek sorozatát a NASA-tól.
