Spectroscopia cu raze X este o tehnică care detectează și măsoară fotoni sau particule de lumină care au lungimi de undă în porțiunea de raze X a spectrului electromagnetic. Este folosit pentru a ajuta oamenii de știință să înțeleagă proprietățile chimice și elementare ale unui obiect.
Există mai multe metode diferite de spectroscopie cu raze X, care sunt utilizate în multe discipline ale științei și tehnologiei, inclusiv arheologie, astronomie și inginerie. Aceste metode pot fi utilizate independent sau împreună pentru a crea o imagine mai completă a materialului sau obiectului analizat.
Istorie
Wilhelm Conrad Röntgen, fizician german, a primit premiul Nobel pentru fizică în 1901 pentru descoperirea sa de raze X în 1895. Noua sa tehnologie a fost rapid folosită de alți oameni de știință și medici, potrivit laboratorului național de accelerare SLAC.
Charles Barkla, fizician britanic, a efectuat cercetări între 1906 și 1908 care au dus la descoperirea lui că razele X pot fi caracteristice substanțelor individuale. Activitatea sa i-a câștigat și premiul Nobel pentru fizică, dar nu până în 1917.
Folosirea spectroscopiei cu raze X a început de fapt un pic mai devreme, în 1912, începând cu o echipă de fii-tată a fiicilor britanici, William Henry Bragg și William Lawrence Bragg. Au folosit spectroscopie pentru a studia modul în care radiațiile de raze X au interacționat cu atomii din cristale. Tehnica lor, numită cristalografie cu raze X, a fost făcută standard în domeniu până în anul următor și au câștigat Premiul Nobel pentru fizică în 1915.
Cum funcționează spectroscopia cu raze X
Când un atom este instabil sau este bombardat cu particule de mare energie, electronii săi trec de la un nivel de energie la altul. Pe măsură ce electronii se reglează, elementul absoarbe și eliberează fotoni cu raze X cu energie mare, într-un mod caracteristic atomilor care alcătuiesc acel element chimic. Spectroscopia cu raze X măsoară acele modificări ale energiei, ceea ce permite oamenilor de știință să identifice elemente și să înțeleagă cum interacționează atomii din diferite materiale.
Există două tehnici principale de spectroscopie cu raze X: spectroscopia cu raze X cu dispersie în lungime de undă (WDXS) și spectroscopia cu raze X cu dispersie energetică (EDXS). WDXS măsoară razele X ale unei singure lungimi de undă care sunt difractate de un cristal. EDXS măsoară radiațiile cu raze X emise de electroni stimulați de o sursă de energie mare de particule încărcate.
În ambele tehnici, modul în care radiația este dispersată indică structura atomică a materialului și, prin urmare, elementele din obiectul analizat.
Aplicații multiple
Astăzi, spectroscopia cu raze X este utilizată în multe domenii ale științei și tehnologiei, inclusiv în arheologie, astronomie, inginerie și sănătate.
Antropologii și arheologii sunt capabili să descopere informații ascunse despre artefactele antice și rămășițele pe care le găsesc analizându-le cu spectroscopie cu raze X. De exemplu, Lee Sharpe, profesor asociat de chimie la Colegiul Grinnell din Iowa, și colegii săi, au utilizat o metodă numită spectroscopie cu fluorescență cu raze X (XRF) pentru a identifica originea capurilor de săgeată obsidiene realizate de oamenii preistorici din sud-vestul Americii de Nord. Echipa și-a publicat rezultatele în octombrie 2018 în Journal of Archaeological Science: Reports.
Spectroscopia cu raze X îi ajută și pe astrofizicieni să învețe mai multe despre modul în care funcționează obiectele din spațiu. De exemplu, cercetătorii de la Universitatea Washington din St. Louis intenționează să observe razele X care provin de la obiecte cosmice, cum ar fi găurile negre, pentru a afla mai multe despre caracteristicile lor. Echipa, condusă de Henric Krawczynski, un astrofizicist experimental și teoretic, intenționează să lanseze un tip de spectrometru cu raze X, numit polarimetru cu raze X. Începând cu decembrie 2018, instrumentul va fi suspendat în atmosfera Pământului printr-un balon de lungă durată, plin de heliu.
Yury Gogotsi, chimist și inginer de materiale la Universitatea Drexel din Pennsylvania, creează antene pulverizate și membrane de desalinizare a apei cu materiale analizate prin spectroscopie cu raze X.
Antenele cu pulverizare invizibile au doar câteva zeci de nanometri, dar sunt capabile să transmită și să conducă undele radio. O tehnică numită spectroscopie de absorbție a razelor X (XAS) ajută să se asigure că compoziția materialului incredibil de subțire este corectă și ajută la determinarea conductivității. "Conductivitatea metalică ridicată este necesară pentru o bună performanță a antenelor, așa că trebuie să monitorizăm îndeaproape materialul", a spus Gogotsi.
Gogotsi și colegii săi utilizează, de asemenea, spectroscopie cu raze X pentru a analiza chimia de suprafață a membranelor complexe care desalinizează apa prin filtrarea ionilor specifici, cum ar fi sodiu.
Utilizarea spectroscopiei cu raze X poate fi întâlnită și în mai multe domenii ale cercetării și practicilor medicale, cum ar fi în mașinile moderne de scanare CT. Colectarea spectrelor de absorbție a razelor X în timpul scanărilor CT (prin numărarea fotonilor sau cu scanerul spectral CT) poate oferi informații și contrast mai detaliate despre ceea ce se întâmplă în interiorul corpului, cu doze de radiații mai mici din razele X și mai puțin sau nu este nevoie de utilizare materiale de contrast (coloranți), potrivit lui Phuong-Anh T. Duong, director al CT la Departamentul de Radiologie și Științe ale Imagisticii din Universitatea Emory.
Mai departe citind:
- Citiți mai multe despre Exploratorul de polarimetrie cu raze X de la NASA.
- Aflați mai multe despre radiografie și spectroscopie cu pierderi de energie, de la Laboratorul Național de Energie Regenerabilă.
- Vezi această serie de planuri de lecții cu privire la spectroscopia radiografiei a stelelor, de la NASA.
