Røntgenspektroskopi er en teknikk som oppdager og måler fotoner, eller partikler av lys, som har bølgelengder i røntgendelen av det elektromagnetiske spekteret. Det brukes til å hjelpe forskere til å forstå de kjemiske og elementære egenskapene til et objekt.
Det er flere forskjellige røntgenspektroskopimetoder som brukes i mange fagfelt og naturvitenskapelige fagområder, inkludert arkeologi, astronomi og ingeniørfag. Disse metodene kan brukes uavhengig eller sammen for å lage et mer fullstendig bilde av materialet eller gjenstanden som analyseres.
Historie
Wilhelm Conrad Röntgen, en tysk fysiker, ble tildelt den første nobelprisen i fysikk i 1901 for hans oppdagelse av røntgenstråler i 1895. Hans nye teknologi ble raskt tatt i bruk av andre forskere og leger, ifølge SLAC National Accelerator Laboratory.
Charles Barkla, en britisk fysiker, forsket mellom 1906 og 1908 som førte til at han oppdaget at røntgenstråler kunne være karakteristiske for individuelle stoffer. Hans arbeid tjente ham også en nobelpris i fysikk, men ikke før i 1917.
Bruken av røntgenspektroskopi begynte faktisk litt tidligere, i 1912, og startet med et far-og-sønn-team av britiske fysikere, William Henry Bragg og William Lawrence Bragg. De brukte spektroskopi for å studere hvordan røntgenstråling interagerte med atomer i krystaller. Teknikken deres, kalt røntgenkrystallografi, ble gjort som standard i feltet året etter, og de vant Nobelprisen i fysikk i 1915.
Hvordan røntgenspektroskopi fungerer
Når et atom er ustabilt eller bombarderes med partikler med høy energi, overgår dets elektroner fra et energinivå til et annet. Når elektronene justeres, absorberer og frigjør elementet røntgenfotoner med høy energi på en måte som er karakteristisk for atomer som utgjør det kjemiske elementet. Røntgenspektroskopi måler de endringene i energi, som lar forskere identifisere elementer og forstå hvordan atomene i forskjellige materialer samvirker.
Det er to viktigste røntgenspektroskopiteknikker: bølgelengdespredende røntgenspektroskopi (WDXS) og energispredende røntgenspektroskopi (EDXS). WDXS måler røntgenstrålene med en enkelt bølgelengde som er diffraksjonert av en krystall. EDXS måler røntgenstrålingen som sendes ut av elektroner stimulert av en høyenergikilde for ladede partikler.
I begge teknikkene indikerer hvordan strålingen er spredt atomstrukturen i materialet og derfor elementene i objektet som analyseres.
Flere applikasjoner
I dag brukes røntgenspektroskopi innen mange områder av vitenskap og teknologi, inkludert arkeologi, astronomi, ingeniørvitenskap og helse.
Antropologer og arkeologer kan oppdage skjult informasjon om de gamle gjenstandene og restene de finner ved å analysere dem med røntgenspektroskopi. For eksempel brukte Lee Sharpe, førsteamanuensis i kjemi ved Grinnell College i Iowa, og kollegene hans, en metode som kalles røntgenfluorescens (XRF) -spektroskopi for å identifisere opprinnelsen til obsidiske pilspisser laget av forhistoriske mennesker i det nordamerikanske sørvest. Teamet publiserte sine resultater i oktober 2018 i Journal of Archaeological Science: Reports.
Røntgenspektroskopi hjelper også astrofysikere til å lære mer om hvordan gjenstander i verdensrommet fungerer. For eksempel planlegger forskere fra Washington University i St. Louis å observere røntgenstråler som kommer fra kosmiske objekter, for eksempel sorte hull, for å lære mer om deres egenskaper. Teamet, ledet av Henric Krawczynski, en eksperimentell og teoretisk astrofysiker, planlegger å lansere en type røntgenspektrometer kalt et røntgenpolarimeter. Fra og med desember 2018 vil instrumentet bli suspendert i jordens atmosfære av en langvarig, heliumfylt ballong.
Yury Gogotsi, en kjemiker og materialingeniør ved Drexel University i Pennsylvania, lager spray-on antenner og vann avsaltingsmembraner med materialer analysert ved røntgenspektroskopi.
De usynlige sprøyteantennene er bare noen få dusin nanometer tykke, men er i stand til å overføre og dirigere radiobølger. En teknikk som kalles røntgenabsorpsjonsspektroskopi (XAS) hjelper deg med å sikre at sammensetningen av det utrolig tynne materialet er riktig og hjelper til med å bestemme konduktiviteten. "Høy metallisk ledningsevne er nødvendig for god ytelse av antenner, så vi må overvåke materialet nøye," sa Gogotsi.
Gogotsi og kollegene bruker også røntgenspektroskopi for å analysere overflatekjemi for komplekse membraner som avsaltet vann ved å filtrere ut spesifikke ioner, for eksempel natrium.
Bruken av røntgenspektroskopi kan også finnes i flere områder av medisinsk forskning og praksis, for eksempel i moderne CT-skanningsmaskiner. Å samle røntgenabsorpsjonsspektre under CT-skanning (via fotontelling eller spektral CT-skanner) kan gi mer detaljert informasjon og kontrast om hva som skjer inne i kroppen, med lavere stråledoser fra røntgenstrålene og mindre eller ingen behov for bruk kontrastmaterialer (fargestoffer), ifølge Phuong-Anh T. Duong, direktør for CT ved Emory University Department of Radiology and Imaging Sciences i Georgia.
Lengre lesning:
- Les mer om NASAs Imaging X-Ray Polarimetry Explorer.
- Lær mer om røntgen- og energitap-spektroskopi, fra The National Renewable Energy Laboratory.
- Sjekk ut denne serien med leksjonsplaner om røntgenspektroskopi av stjerner, fra NASA.
