Röntgenová spektroskopia je technika, ktorá detekuje a meria fotóny alebo častice svetla, ktoré majú vlnové dĺžky v röntgenovej časti elektromagnetického spektra. Používa sa na pomoc vedcom pochopiť chemické a elementárne vlastnosti predmetu.
Existuje niekoľko rôznych rôntgenových spektroskopických metód, ktoré sa používajú v mnohých vedných a technologických odboroch vrátane archeológie, astronómie a inžinierstva. Tieto metódy môžu byť použité nezávisle alebo spolu na vytvorenie úplnejšieho obrazu analyzovaného materiálu alebo objektu.
Histórie
Wilhelm Conrad Röntgen, nemecký fyzik, získal prvú Nobelovu cenu za fyziku v roku 1901 za objav röntgenového žiarenia v roku 1895. Podľa National Accelerator Laboratory sa jeho nová technológia rýchlo použila inými vedcami a lekármi.
Britský fyzik Charles Barkla uskutočnil v rokoch 1906 až 1908 výskum, ktorý viedol k jeho objavu, že röntgenové lúče môžu byť charakteristické pre jednotlivé látky. Jeho práca tiež získala Nobelovu cenu za fyziku, ale až v roku 1917.
Použitie röntgenovej spektroskopie sa začalo o niečo skôr, v roku 1912, počnúc tímom otca a syna britských fyzikov, Williama Henryho Bragga a Williama Lawrence Bragga. Použili spektroskopiu na štúdium interakcie röntgenového žiarenia s atómami v kryštáloch. Ich technika, nazývaná röntgenová kryštalografia, bola v nasledujúcom roku štandardom v odbore a v roku 1915 získali Nobelovu cenu za fyziku.
Ako funguje röntgenová spektroskopia
Ak je atóm nestabilný alebo je bombardovaný vysokoenergetickými časticami, jeho elektróny prechádzajú z jednej energetickej úrovne na druhú. Keď sa elektróny prispôsobujú, prvok absorbuje a uvoľňuje vysokoenergetické röntgenové fotóny spôsobom, ktorý je charakteristický pre atómy, ktoré tvoria tento konkrétny chemický prvok. Rôntgenová spektroskopia meria tieto zmeny energie, čo umožňuje vedcom identifikovať prvky a pochopiť, ako atómy v rôznych materiáloch interagujú.
Existujú dve hlavné techniky röntgenovej spektroskopie: röntgenová spektroskopia dispergovaná vlnovou dĺžkou (WDXS) a röntgenová spektroskopia dispergovaná energiou (EDXS). WDXS meria röntgenové lúče jednej vlnovej dĺžky, ktoré sú rozptylované kryštálom. EDXS meria rôntgenové žiarenie emitované elektrónmi stimulovanými vysokoenergetickým zdrojom nabitých častíc.
V oboch technikách, ako je žiarenie rozptýlené, označuje atómovú štruktúru materiálu a teda prvky v analyzovanom objekte.
Viac aplikácií
Röntgenová spektroskopia sa dnes používa v mnohých oblastiach vedy a techniky vrátane archeológie, astronómie, strojárstva a zdravia.
Antropológovia a archeológovia dokážu odhaliť skryté informácie o starodávnych artefaktoch a zvyšky, ktoré našli, analýzou pomocou röntgenovej spektroskopie. Napríklad Lee Sharpe, docent chémie na Grinnell College v Iowe, a jeho kolegovia použili na identifikáciu pôvodu obsidiánskych šípov, ktoré vytvorili pravekí ľudia na severozápadnom juhozápade severozápadu, metódu nazývanú röntgenová fluorescenčná (XRF) spektroskopia. Výsledky zverejnil tím v októbri 2018 vo Vestníku archeologických vied: Správy.
Röntgenová spektroskopia tiež pomáha astrofyzikom dozvedieť sa viac o tom, ako fungujú objekty vo vesmíre. Napríklad vedci z Washingtonskej univerzity v St. Louis plánujú pozorovať röntgenové lúče pochádzajúce z kozmických objektov, ako sú napríklad čierne diery, aby sa dozvedeli viac o ich vlastnostiach. Tím vedený experimentálnym a teoretickým astrofyzikom Henricom Krawczynským plánuje spustiť typ röntgenového spektrometra nazývaného röntgenový polarimeter. Počnúc decembrom 2018 bude tento nástroj v zemskej atmosfére pozastavený dlhodobým balónom naplneným héliom.
Yury Gogotsi, chemik a materiálový inžinier na Drexel University v Pensylvánii, vytvára rozprašovacie antény a membrány na odsoľovanie vody s materiálmi analyzovanými röntgenovou spektroskopiou.
Neviditeľné rozprašovacie antény sú hrubé iba niekoľko desiatok nanometrov, sú však schopné vysielať a usmerňovať rádiové vlny. Technika nazývaná röntgenová absorpčná spektroskopia (XAS) pomáha zaistiť, že zloženie neuveriteľne tenkého materiálu je správne a pomáha určiť vodivosť. "Na dobrý výkon antén je potrebná vysoká kovová vodivosť, takže musíme materiál pozorne sledovať," uviedol Gogotsi.
Gogotsi a jeho kolegovia tiež používajú rôntgenovú spektroskopiu na analýzu povrchovej chémie zložitých membrán, ktoré odsoľujú vodu odfiltrovaním špecifických iónov, napríklad sodíka.
Použitie röntgenovej spektroskopie je možné nájsť aj v niekoľkých oblastiach lekárskeho výskumu a praxe, napríklad v moderných CT skeneroch. Zhromažďovanie röntgenových absorpčných spektier pri CT skenoch (pomocou počítania fotónov alebo spektrálneho CT skenera) môže poskytnúť podrobnejšie informácie a kontrast o tom, čo sa deje vo vnútri tela, s nižšími dávkami žiarenia z röntgenového žiarenia a menšou alebo žiadnou potrebou použitia kontrastné materiály (farbivá) podľa Phuong-Anh T. Duong, riaditeľa CT na Katedre rádiológie a zobrazovacích vied Univerzity Emory v Gruzínsku.
ďalej čítanie:
- Prečítajte si viac o prehliadači Imaging X-Ray Polarimetry Explorer spoločnosti NASA.
- Získajte viac informácií o röntgenovej a stratovej spektroskopii z Národného laboratória pre obnoviteľnú energiu.
- Vyskúšajte túto sériu plánov hodín na röntgenovej spektroskopii hviezd od agentúry NASA.
