Η φασματοσκοπία ακτίνων Χ είναι μια τεχνική που ανιχνεύει και μετρά φωτόνια ή σωματίδια φωτός που έχουν μήκη κύματος στο τμήμα ακτίνων Χ του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Χρησιμοποιείται για να βοηθήσει τους επιστήμονες να κατανοήσουν τις χημικές και στοιχειώδεις ιδιότητες ενός αντικειμένου.
Υπάρχουν πολλές διαφορετικές μέθοδοι φασματοσκοπίας ακτίνων Χ που χρησιμοποιούνται σε πολλά επιστημονικά και τεχνολογικά πεδία, όπως η αρχαιολογία, η αστρονομία και η μηχανική. Αυτές οι μέθοδοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν ανεξάρτητα ή μαζί για να δημιουργήσουν μια πιο ολοκληρωμένη εικόνα του υλικού ή του αντικειμένου που αναλύεται.
Ιστορία
Ο Wilhelm Conrad Röntgen, γερμανικός φυσικός, απονεμήθηκε το πρώτο βραβείο Νόμπελ στη Φυσική το 1901 για την ανακάλυψη ακτίνων Χ το 1895. Η νέα τεχνολογία του χρησιμοποιήθηκε γρήγορα από άλλους επιστήμονες και γιατρούς, σύμφωνα με το Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντών της SLAC.
Ο Charles Barkla, ένας Βρετανός φυσικός, διεξήγαγε έρευνα μεταξύ 1906 και 1908 που οδήγησε στην ανακάλυψη του ότι οι ακτίνες Χ θα μπορούσαν να είναι χαρακτηριστικές για μεμονωμένες ουσίες. Το έργο του απέκτησε επίσης βραβείο Νόμπελ στη Φυσική, αλλά όχι μέχρι το 1917.
Η χρήση της φασματοσκοπίας ακτίνων Χ άρχισε πραγματικά λίγο νωρίτερα, το 1912, ξεκινώντας με μια ομάδα πατέρα-και-γιου των βρετανών φυσικών, William Henry Bragg και William Lawrence Bragg. Χρησιμοποίησαν φασματοσκοπία για να μελετήσουν πώς αλληλεπιδρούσε η ακτινοβολία ακτίνων Χ με άτομα μέσα σε κρυστάλλους. Η τεχνική τους, που ονομάζεται κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ, έγινε το πρότυπο στον τομέα από το επόμενο έτος και κέρδισε το Βραβείο Νόμπελ στη Φυσική το 1915.
Πώς λειτουργεί η φασματοσκοπία ακτίνων Χ
Όταν ένα άτομο είναι ασταθές ή βομβαρδίζεται με σωματίδια υψηλής ενέργειας, τα ηλεκτρόνια του μεταβαίνουν από ένα επίπεδο ενέργειας στο άλλο. Καθώς ρυθμίζονται τα ηλεκτρόνια, το στοιχείο απορροφά και απελευθερώνει φωτόνια ακτίνων Χ υψηλής ενέργειας κατά τρόπο που είναι χαρακτηριστικό των ατόμων που αποτελούν το συγκεκριμένο χημικό στοιχείο. Η φασματοσκοπία ακτίνων Χ μετρά αυτές τις αλλαγές στην ενέργεια, που επιτρέπει στους επιστήμονες να αναγνωρίζουν τα στοιχεία και να κατανοούν πώς αλληλεπιδρούν τα άτομα μέσα σε διάφορα υλικά.
Υπάρχουν δύο κύριες τεχνικές φασματοσκοπίας ακτίνων Χ: φασματοσκοπία ακτίνων Χ με διασπορά σε μήκος κύματος (WDXS) και φασματοσκοπία ακτίνων Χ με ενεργειακή διασπορά (EDXS). Το WDXS μετρά τις ακτίνες Χ ενός μόνο μήκους κύματος που διαχέονται από ένα κρύσταλλο. Το EDXS μετρά την ακτινοβολία ακτινοβολίας X που εκπέμπεται από ηλεκτρόνια που διεγείρονται από πηγή υψηλής ενέργειας φορτισμένων σωματιδίων.
Και στις δύο τεχνικές, πώς διασκορπίζεται η ακτινοβολία υποδεικνύει την ατομική δομή του υλικού και συνεπώς τα στοιχεία εντός του αντικειμένου που αναλύεται.
Πολλαπλές εφαρμογές
Σήμερα, η φασματοσκοπία ακτίνων Χ χρησιμοποιείται σε πολλούς τομείς της επιστήμης και της τεχνολογίας, όπως η αρχαιολογία, η αστρονομία, η μηχανική και η υγεία.
Οι ανθρωπολόγοι και οι αρχαιολόγοι μπορούν να ανακαλύψουν κρυφές πληροφορίες σχετικά με τα αρχαία αντικείμενα και τα ερείπια που βρίσκουν αναλύοντας τους με φασματοσκοπία ακτίνων Χ. Για παράδειγμα, ο Lee Sharpe, αναπληρωτής καθηγητής χημείας στο Grinnell College της Αϊόβα, και οι συνεργάτες του, χρησιμοποίησαν μια μέθοδο φασματοσκοπίας φθορισμού ακτίνων Χ (XRF) για να προσδιορίσουν την προέλευση των οψιανών βέλη των οψιανών από τους προϊστορικούς ανθρώπους στη βορειοαμερικανική νοτιοδυτική. Η ομάδα δημοσίευσε τα αποτελέσματά της τον Οκτώβριο του 2018 στο περιοδικό Journal of Archaeological Science: Reports.
Η φασματοσκοπία ακτίνων Χ βοηθά επίσης τους αστροφυσικούς να μάθουν περισσότερα για το πώς λειτουργούν τα αντικείμενα στο διάστημα. Για παράδειγμα, οι ερευνητές από το Πανεπιστήμιο της Ουάσινγκτον στο Σεντ Λούις σχεδιάζουν να παρατηρήσουν τις ακτίνες Χ που προέρχονται από κοσμικά αντικείμενα, όπως οι μαύρες τρύπες, για να μάθουν περισσότερα για τα χαρακτηριστικά τους. Η ομάδα, υπό την ηγεσία του Henric Krawczynski, ενός πειραματικού και θεωρητικού αστροφυσικού, σχεδιάζει να ξεκινήσει ένα είδος φασματόμετρου ακτίνων Χ που ονομάζεται πολωσίμετρο ακτίνων Χ. Ξεκινώντας από τον Δεκέμβριο του 2018, το όργανο θα ανασταλεί στην ατμόσφαιρα της Γης με ένα μπαλόνι γεμάτο ήλιο.
Ο Yury Gogotsi, μηχανικός χημικών και υλικών στο Πανεπιστήμιο Drexel της Πενσυλβάνια, δημιουργεί κεραίες ψεκασμού και μεμβράνες αφαλάτωσης νερού με υλικά που αναλύονται με φασματοσκοπία ακτίνων Χ.
Οι αόρατες κεραίες ψεκασμού είναι μόνο λίγες δεκάδες νανομέτρων, αλλά είναι σε θέση να μεταδίδουν και να κατευθύνουν ραδιοκύματα. Μια τεχνική που ονομάζεται φασματοσκοπία απορρόφησης ακτίνων Χ (XAS) βοηθά να διασφαλιστεί ότι η σύνθεση του απίστευτα λεπτού υλικού είναι σωστή και βοηθά στον προσδιορισμό της αγωγιμότητας. "Υψηλή μεταλλική αγωγιμότητα απαιτείται για την καλή απόδοση των κεραιών, οπότε πρέπει να παρακολουθήσουμε στενά το υλικό", δήλωσε ο Γκογκότσι.
Ο Gogotsi και οι συνάδελφοί του χρησιμοποιούν επίσης φασματοσκοπία ακτίνων Χ για να αναλύσουν την επιφανειακή χημεία σύνθετων μεμβρανών που αφαλλάζουν το νερό φιλτράροντας συγκεκριμένα ιόντα, όπως το νάτριο.
Η χρήση φασματοσκοπίας ακτίνων Χ μπορεί επίσης να βρεθεί σε αρκετούς τομείς της ιατρικής έρευνας και πρακτικής, όπως σε σύγχρονες μηχανές CT σάρωσης. Η συλλογή των φασμάτων απορρόφησης ακτίνων Χ κατά τη διάρκεια CT σαρών (μέσω μέτρησης φωτονίων ή φασματικού CT scanner) μπορεί να παρέχει λεπτομερέστερες πληροφορίες και αντίθεση για το τι συμβαίνει στο εσωτερικό του σώματος, με χαμηλότερες δόσεις ακτινοβολίας από τις ακτίνες Χ και λιγότερη ή καθόλου ανάγκη χρήσης (βαφές), σύμφωνα με τον Phuong-Anh T. Duong, διευθυντή της CT στο Πανεπιστήμιο Emory του Τμήματος Ακτινολογίας και Επιστημών Απεικονίσεων στη Γεωργία.
Περαιτέρω ΑΝΑΓΝΩΣΗ:
- Διαβάστε περισσότερα σχετικά με την εξερευνητική συσκευή Polarimetry X-Ray της απεικόνισης της NASA.
- Μάθετε περισσότερα σχετικά με τη φασματοσκοπία ακτίνων Χ και την ενεργειακή απώλεια, από το Εθνικό Εργαστήριο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας.
- Ελέγξτε αυτή τη σειρά σχεδίων μαθήματος σχετικά με τη φασματοσκοπία ακτίνων Χ των αστέρων, από τη NASA.
