Рентгеновская спектроскопия - это метод, который обнаруживает и измеряет фотоны или частицы света, которые имеют длины волн в рентгеновской части электромагнитного спектра. Он используется, чтобы помочь ученым понять химические и элементные свойства объекта.
Существует несколько различных методов рентгеновской спектроскопии, которые используются во многих областях науки и техники, включая археологию, астрономию и инженерию. Эти методы могут использоваться независимо или вместе, чтобы создать более полную картину анализируемого материала или объекта.
История
Вильгельм Конрад Рентген, немецкий физик, был удостоен первой Нобелевской премии по физике в 1901 году за открытие рентгеновских лучей в 1895 году. По данным Национальной ускорительной лаборатории SLAC, его новая технология была быстро использована другими учеными и врачами.
Чарльз Баркла, британский физик, проводил исследования между 1906 и 1908 годами, которые привели к его открытию, что рентгеновские лучи могут быть характерны для отдельных веществ. Его работа также принесла ему Нобелевскую премию по физике, но только в 1917 году.
Использование рентгеновской спектроскопии фактически началось немного раньше, в 1912 году, начиная с команды отца и сына британских физиков, Уильяма Генри Брэгга и Уильяма Лоуренса Брэгга. Они использовали спектроскопию для изучения взаимодействия рентгеновского излучения с атомами внутри кристаллов. Их методика, называемая рентгеновской кристаллографией, стала стандартом в этой области к следующему году, и они получили Нобелевскую премию по физике в 1915 году.
Как работает рентгеновская спектроскопия
Когда атом нестабилен или бомбардируется частицами высокой энергии, его электроны переходят с одного энергетического уровня на другой. Когда электроны приспосабливаются, элемент поглощает и испускает высокоэнергетические рентгеновские фотоны таким образом, который характерен для атомов, которые составляют этот конкретный химический элемент. Рентгеновская спектроскопия измеряет эти изменения в энергии, что позволяет ученым идентифицировать элементы и понять, как взаимодействуют атомы в различных материалах.
Существует два основных метода рентгеновской спектроскопии: рентгеновская спектроскопия с дисперсией по длине волны (WDXS) и рентгеновская спектроскопия с дисперсией энергии (EDXS). WDXS измеряет рентгеновские лучи одной длины волны, которые дифрагируют на кристалле. EDXS измеряет рентгеновское излучение, испускаемое электронами, стимулируемыми высокоэнергетическим источником заряженных частиц.
В обоих методах распределение излучения указывает на атомную структуру материала и, следовательно, на элементы внутри анализируемого объекта.
Несколько приложений
Сегодня рентгеновская спектроскопия используется во многих областях науки и техники, включая археологию, астрономию, инженерию и здравоохранение.
Антропологи и археологи могут обнаружить скрытую информацию о древних артефактах и останках, которые они находят, проанализировав их с помощью рентгеновской спектроскопии. Например, Ли Шарп, адъюнкт-профессор химии в Гриннелл-колледже в Айове, и его коллеги использовали метод рентгеновской флуоресцентной (XRF) спектроскопии для определения происхождения наконечников из обсидиана, сделанных доисторическими людьми на северо-американском юго-западе. Команда опубликовала свои результаты в октябре 2018 года в журнале Archaeological Science: Reports.
Рентгеновская спектроскопия также помогает астрофизикам узнать больше о том, как работают объекты в космосе. Например, исследователи из Вашингтонского университета в Сент-Луисе планируют наблюдать рентгеновские лучи от космических объектов, таких как черные дыры, чтобы узнать больше об их характеристиках. Команда, возглавляемая Хенриком Кравчинским, экспериментальным и теоретическим астрофизиком, планирует выпустить рентгеновский спектрометр, называемый рентгеновским поляриметром. Начиная с декабря 2018 года, инструмент будет подвешен в атмосфере Земли на длительном, наполненном гелием воздушном шаре.
Юрий Гогоци, химик и инженер по материалам из Университета Дрексел в Пенсильвании, создает напыляемые антенны и опреснительные мембраны из материалов, проанализированных с помощью рентгеновской спектроскопии.
Невидимые напыляемые антенны имеют толщину всего несколько десятков нанометров, но способны передавать и направлять радиоволны. Методика, называемая рентгеновской абсорбционной спектроскопией (XAS), помогает убедиться в правильности состава невероятно тонкого материала и помогает определить проводимость. «Для хорошей работы антенн требуется высокая металлическая проводимость, поэтому мы должны внимательно следить за материалом», - сказал Гогоци.
Гогоци и его коллеги также используют рентгеновскую спектроскопию для анализа химии поверхности сложных мембран, которые обессоливают воду путем фильтрации определенных ионов, таких как натрий.
Использование рентгеновской спектроскопии также может быть найдено в нескольких областях медицинских исследований и практики, таких как современные машины для КТ-сканирования. Сбор спектров поглощения рентгеновских лучей во время КТ-сканирования (с помощью подсчета фотонов или спектрального КТ-сканера) может предоставить более подробную информацию и контраст о том, что происходит внутри организма, с более низкими дозами облучения от рентгеновских лучей и меньшими или не требующими использования контрастные материалы (красители), по словам Phuong-Anh T. Duong, директора КТ факультета радиологии и визуализации Университета Эмори в Грузии.
Дальше чтение:
- Узнайте больше о рентгеновской поляриметрии Explorer от NASA.
- Узнайте больше о рентгеновской и энергетической спектроскопии от Национальной лаборатории возобновляемой энергии.
- Ознакомьтесь с этой серией планов уроков по рентгеновской спектроскопии звезд от НАСА.
