Rendgenska spektroskopija je tehnika koja otkriva i mjeri fotone ili čestice svjetlosti, koje imaju valnu duljinu u rendgenskom dijelu elektromagnetskog spektra. Koristi se kako bi se znanstvenicima pomoglo razumjeti kemijska i elementarna svojstva objekta.
Postoji nekoliko različitih metoda rendgenske spektroskopije koje se koriste u mnogim disciplinama znanosti i tehnologije, uključujući arheologiju, astronomiju i inženjerstvo. Ove se metode mogu koristiti samostalno ili zajedno kako bi se stvorila potpunija slika materijala ili predmeta koji se analizira.
Povijest
Wilhelm Conrad Röntgen, njemački fizičar, dobio je prvu Nobelovu nagradu za fiziku 1901. za otkriće rendgenskih zraka 1895. Njegovu novu tehnologiju brzo su stavili na upotrebu drugi znanstvenici i liječnici, prema SLAC Nacionalnom laboratoriju za ubrzavanje.
Charles Barkla, britanski fizičar, provodio je istraživanje između 1906. i 1908. koje su dovele do njegovog otkrića da su rendgenski zraci mogli biti karakteristični za pojedine tvari. Za svoj je rad također dobio Nobelovu nagradu za fiziku, ali tek 1917. godine.
Uporaba rentgenske spektroskopije zapravo je započela nešto ranije, 1912. godine, počevši od tima oca i sina britanskih fizičara, Williama Henryja Bragga i Williama Lawrencea Bragga. Koristili su spektroskopiju za ispitivanje interakcije rendgenskih zraka s atomima unutar kristala. Njihova tehnika, nazvana rendgenska kristalografija, postala je standard na terenu već sljedeće godine i oni su 1915. dobili Nobelovu nagradu za fiziku.
Kako djeluje rentgenska spektroskopija
Kad je atom nestabilan ili je bombardiran česticama visoke energije, njegovi elektroni prelaze s jedne energetske razine na drugu. Kako se elektroni prilagođavaju, element apsorbira i oslobađa visokoenergetske rendgenske fotone na način karakterističan za atome koji čine taj određeni kemijski element. Rendgenska spektroskopija mjeri one promjene u energiji, što znanstvenicima omogućuje prepoznavanje elemenata i razumijevanje interakcije atoma u različitim materijalima.
Postoje dvije glavne tehnike rendgenske spektroskopije: valno-disperzivna X-zraka spektroskopija (WDXS) i energetski disperzivna X-zraka spektroskopija (EDXS). WDXS mjeri X-zrake jedne valne duljine koje su difrirani kristalom. EDXS mjeri rendgensko zračenje koje emitiraju elektroni stimulirani visokoenergetskim izvorom nabijenih čestica.
U obje tehnike, kako se radijacija raspršuje, označava atomsku strukturu materijala, a samim tim i elemente unutar predmeta koji se analizira.
Višestruka primjena
Danas se rendgenska spektroskopija koristi u mnogim područjima znanosti i tehnologije, uključujući arheologiju, astronomiju, inženjerstvo i zdravlje.
Antropolozi i arheolozi mogu otkriti skrivene podatke o drevnim artefaktima, a ostatke pronalaze analizirajući ih rendgenskom spektroskopijom. Na primjer, Lee Sharpe, izvanredni profesor kemije na koledžu Grinnell u Iowi, i njegovi kolege, koristili su metodu nazvanu rentgenskom fluorescentnom (XRF) spektroskopijom kako bi identificirali podrijetlo obsidijanskih pušaka koje su napravili praistorijski ljudi na sjeverozapadnom jugozapadu Sjeverne Amerike. Tim je svoje rezultate objavio u listopadu 2018. u časopisu Archaeological Science: Reports.
Rendgenska spektroskopija također pomaže astrofizičarima da nauče više o tome kako rade objekti u svemiru. Na primjer, istraživači sa Sveučilišta Washington u St. Louisu planiraju promatrati rendgen zrake koji dolaze iz kozmičkih objekata, poput crnih rupa, kako bi saznali više o njihovim karakteristikama. Tim, koji predvodi Henric Krawczynski, eksperimentalni i teorijski astrofizičar, planira lansirati vrstu rendgenskog spektrometra nazvanog rendgenski polarimetar. Počev od prosinca 2018. godine, instrument će biti suspendiran u Zemljinoj atmosferi dugotrajnim balonom ispunjenim helijem.
Yury Gogotsi, inženjer kemičara i materijala na Sveučilištu Drexel u Pennsylvaniji, stvara antene za prskanje i membrane za uklanjanje vode s materijalima analiziranim rendgenskom spektroskopijom.
Nevidljive antene za raspršivanje debele su samo nekoliko desetaka nanometara, ali mogu prenositi i usmjeravati radio valove. Tehnika nazvana apsorpcijska spektroskopija rendgenskih zraka (XAS) pomaže osigurati da je sastav nevjerojatno tankog materijala točan i pomaže odrediti vodljivost. „Za dobru izvedbu antena potrebna je visoka metalna vodljivost, pa moramo pažljivo nadzirati materijal“, rekao je Gogotsi.
Gogotsi i njegovi kolege također koriste rendgensku spektroskopiju za analizu površinske kemije složenih membrana koje otapaju vodu filtriranjem specifičnih iona, poput natrija.
Primjena rentgenske spektroskopije može se naći i u nekoliko područja medicinskih istraživanja i prakse, poput modernih strojeva za CT skeniranje. Prikupljanje spektra apsorpcije rendgenskih zraka tijekom CT skeniranja (putem brojanja fotona ili spektralnim CT skenerom) može pružiti detaljnije informacije i kontrast o onome što se događa u tijelu, s nižim dozama zračenja od X-zraka i manjom ili nepotrebnom uporabom kontrastni materijali (boje), prema Phuong-Anh T. Duongu, direktoru CT-a na Odjelu za radiologiju i slikovne znanosti Sveučilišta Emory u Gruziji.
Unaprijediti čitanje:
- Pročitajte više o NASA-inom Imaging X-Ray Polarimetry Exploreru.
- Saznajte više o rendgenu i spektroskopiji protiv gubitka energije iz Nacionalne laboratorije za obnovljivu energiju.
- Pogledajte ovu seriju planova lekcija na rentgenskoj spektroskopiji zvijezda, od NASA-e.
