Рендгенска спектроскопија је техника која детектује и мери фотоне или честице светлости који имају таласне дужине у делу рендгенских зрака електромагнетног спектра. Користи се за помоћ научницима да разумеју хемијска и елементарна својства објекта.
Постоји неколико различитих метода рентгенских спектроскопија које се користе у многим научним и технолошким дисциплинама, укључујући археологију, астрономију и инжењерство. Ове методе се могу користити самостално или заједно како би се створила потпунија слика материјала или предмета који се анализира.
Историја
Вилхелм Цонрад Ронтген, немачки физичар, добио је прву Нобелову награду за физику 1901. за откриће рендгенских зрака 1895. године. Његову нову технологију брзо су користили други научници и лекари, према подацима Националне лабораторије за убрзавање СЛАЦ-а.
Цхарлес Баркла, британски физичар, вршио је истраживање између 1906. и 1908., која су довела до његовог открића да су рендгенски зраци карактеристични за појединачне супстанце. За свој рад, такође, добио му је Нобелову награду за физику, али тек 1917. године.
Употреба рендгенске спектроскопије заправо је почела нешто раније, 1912. године, почевши од тима оца и сина британских физичара, Виллиама Хенрија Брагг-а и Виллиама Лавренцеа Брагг-а. Они су користили спектроскопију да проуче како је рендгенско зрачење узајамно деловало са атомима унутар кристала. Њихова техника, звана рендгенска кристалографија, постала је стандард на терену следеће године и они су освојили Нобелову награду за физику 1915.
Како делује рентгенска спектроскопија
Када је атом нестабилан или је бомбардиран честицама високе енергије, његови електрони прелазе са једног енергетског нивоа на други. Како се електрони прилагођавају, елемент апсорбује и ослобађа високоенергетске рендгенске фотоне на начин карактеристичан за атоме који чине тај одређени хемијски елемент. Рендгенска спектроскопија мери оне промене енергије, које научницима омогућавају да идентификују елементе и разумеју како атоми у различитим материјалима делују.
Постоје две главне технике рендгенске спектроскопије: таласно-дисперзивна рентгенска спектроскопија (ВДКСС) и енергетски дисперзивна рентгенска спектроскопија (ЕДКСС). ВДКСС мери рендгенске зраке једне таласне дужине које су дифрактоване кристалом. ЕДКСС мери рендгенско зрачење које емитују електрони стимулисани високо-енергетским извором наелектрисаних честица.
У обје технике, како се радијација распршује, означава атомску структуру материјала, а самим тим и елементе у предмету који се анализира.
Вишеструке апликације
Данас се рендгенска спектроскопија користи у многим областима науке и технологије, укључујући археологију, астрономију, инжењерство и здравство.
Антрополози и археолози могу да открију скривене податке о древним артефактима, а остатке пронађу анализирајући их рентгенском спектроскопијом. На пример, Лее Схарпе, ванредни професор хемије на колеџу Гриннелл у Ајови, и његове колеге користили су методу која се зове рентгенска флуоресцентна (КСРФ) спектроскопија да би идентификовали порекло обсидијанских шиљака које су направили праисторијски људи на северноамеричком југозападу. Тим је објавио своје резултате у октобру 2018. године у часопису Археолошка наука: Извештаји.
Рендгенска спектроскопија такође помаже астрофизичарима да науче више о томе како раде објекти у свемиру. На пример, истраживачи са Универзитета Вашингтон у Сент Луису планирају да посматрају рендген зраке који потичу из космичких објеката, попут црних рупа, како би сазнали више о њиховим карактеристикама. Тим, који предводи Хенриц Кравцзински, експериментални и теоријски астрофизичар, планира лансирати тип рендгенског спектрометра који се зове рендгенски полариметар. Почев од децембра 2018. године, инструмент ће бити суспендован у Земљиној атмосфери дуготрајним балоном напуњеним хелијем.
Иури Гоготси, хемичар и инжењер материјала на Универзитету Дрекел у Пеннсилванији, ствара антене за прскање и мембране за уклањање воде водом са материјалима анализираним рендгенском спектроскопијом.
Невидљиве антене за распршивање дебеле су само неколико десетина нанометара, али су у стању да преносе и усмеравају радио таласе. Техника звана рентгенска апсорпциона спектроскопија (КСАС) помаже да се осигура да је састав невероватно танког материјала тачан и да помогне у одређивању проводљивости. „За добру изведбу антена потребна је висока метална проводљивост, тако да морамо пажљиво надгледати материјал“, рекао је Гоготси.
Гоготси и његови колеге такође користе рендгенску спектроскопију за анализу површинске хемије сложених мембрана које уклањају сол дестилацијом воде филтрирањем специфичних јона, као што је натријум.
Примена рендгенске спектроскопије може се наћи и у неколико области медицинских истраживања и праксе, као што су савремене ЦТ машине за скенирање. Сакупљање спектра апсорпције рендгенских зрака током ЦТ скенирања (путем бројања фотона или спектралним ЦТ скенером) може пружити детаљније информације и контраст о ономе што се догађа у телу, уз ниже дозе зрачења од Кс-зрака и мање или без потребе за коришћењем контрастни материјали (боје), према Пхуонг-Анх Т. Дуонг-у, директору ЦТ-а на Одељењу за радиологију и слике у Универзитету Емори у Џорџији.
Даље читање:
- Прочитајте више о НАСА-ином Имагинг Кс-Раи Полариметри Екплореру.
- Сазнајте више о рентгену и спектроскопији са губитком енергије из Националне лабораторије за обновљиву енергију.
- Погледајте ову серију планова лекције на рентгенској спектроскопији звезда, од НАСА-е.
