Rentgenová spektroskopie je technika, která detekuje a měří fotony nebo částice světla, které mají vlnové délky v rentgenové části elektromagnetického spektra. Používá se k tomu, aby vědcům pomohl pochopit chemické a elementární vlastnosti předmětu.
Existuje několik různých metod rentgenové spektroskopie, které se používají v mnoha vědních a technologických oborech, včetně archeologie, astronomie a inženýrství. Tyto metody lze použít samostatně nebo společně k vytvoření úplnějšího obrazu analyzovaného materiálu nebo předmětu.
Dějiny
Wilhelm Conrad Röntgen, německý fyzik, získal v roce 1901 první Nobelovu cenu za fyziku za objev rentgenů. Jeho nová technologie byla rychle využita jinými vědci a lékaři podle Národní akcelerátorové laboratoře SLAC.
Charles Barkla, britský fyzik, provedl v letech 1906 až 1908 výzkum, který vedl k jeho objevu, že rentgenové paprsky mohou být charakteristické pro jednotlivé látky. Jeho práce také získala Nobelovu cenu za fyziku, ale ne až v roce 1917.
Použití rentgenové spektroskopie se začalo o něco dříve, v roce 1912, počínaje týmem otců a synů britských fyziků, Williamem Henrym Braggem a Williamem Lawrence Braggem. Použili spektroskopii ke studiu interakce rentgenového záření s atomy uvnitř krystalů. Jejich technika zvaná rentgenová krystalografie byla v následujícím roce standardem v oboru a v roce 1915 získali Nobelovu cenu za fyziku.
Jak funguje rentgenová spektroskopie
Když je atom nestabilní nebo je bombardován částicemi vysoké energie, přecházejí jeho elektrony z jedné energetické úrovně na druhou. Jak se elektrony upravují, prvek absorbuje a uvolňuje vysoce energetické rentgenové fotony způsobem, který je charakteristický pro atomy, které tvoří tento konkrétní chemický prvek. Rentgenová spektroskopie měří tyto změny energie, což vědcům umožňuje identifikovat prvky a pochopit, jak atomy v různých materiálech interagují.
Existují dvě hlavní techniky rentgenové spektroskopie: rentgenová spektroskopie dispergovaná vlnovou délkou (WDXS) a rentgenová spektroskopie dispergovaná energií (EDXS). WDXS měří rentgenové paprsky jediné vlnové délky, které jsou rozptylovány krystalem. EDXS měří rentgenové záření emitované elektrony stimulované vysoce energetickým zdrojem nabitých částic.
V obou technikách označuje, jak je záření rozptýleno atomovou strukturu materiálu, a tedy i prvky uvnitř analyzovaného objektu.
Více aplikací
Rentgenová spektroskopie se dnes používá v mnoha oblastech vědy a techniky, včetně archeologie, astronomie, strojírenství a zdraví.
Antropologové a archeologové jsou schopni odhalit skryté informace o starověkých artefaktech a zbytky, které najdou jejich analýzou rentgenovou spektroskopií. Například Lee Sharpe, docent chemie na Grinnell College v Iowě, a jeho kolegové použili metodu zvanou rentgenová fluorescenční (XRF) spektroskopie k identifikaci původu obsidiánských hrotů vytvořených prehistorickými lidmi na severoamerickém jihozápadě. Tým zveřejnil své výsledky v říjnu 2018 v Journal of Archaeological Science: Reports.
Rentgenová spektroskopie také pomáhá astrofyzikům dozvědět se více o tom, jak fungují objekty ve vesmíru. Například vědci z Washingtonské univerzity v St. Louis plánují pozorovat rentgenové paprsky, které pocházejí z kosmických objektů, jako jsou černé díry, aby se dozvěděly více o jejich vlastnostech. Tým vedený experimentálním a teoretickým astrofyzikem Henricem Krawczynskim plánuje spustit typ rentgenového spektrometru nazvaného rentgenový polarimetr. Počínaje prosincem 2018 bude nástroj pozastaven v zemské atmosféře dlouhým balónkem naplněným heliem.
Yury Gogotsi, chemik a materiálový inženýr na Drexel University v Pensylvánii, vytváří rozprašovací antény a odsolovací membrány s materiály analyzovanými rentgenovou spektroskopií.
Neviditelné stříkací antény jsou tlusté jen několik desítek nanometrů, ale jsou schopny vysílat a nasměrovat rádiové vlny. Technika zvaná rentgenová absorpční spektroskopie (XAS) pomáhá zajistit, že složení neuvěřitelně tenkého materiálu je správné a pomáhá určit vodivost. "Pro dobrý výkon antén je nutná vysoká kovová vodivost, takže musíme materiál pozorně sledovat," řekl Gogotsi.
Gogotsi a jeho kolegové také používají rentgenovou spektroskopii k analýze povrchové chemie složitých membrán, které odsolovávají vodu odfiltrováním specifických iontů, jako je sodík.
Použití rentgenové spektroskopie lze nalézt také v několika oblastech lékařského výzkumu a praxe, například v moderních CT skenovacích strojích. Shromažďování rentgenových absorpčních spekter během CT skenů (pomocí počítání fotonů nebo spektrálního CT skeneru) může poskytnout podrobnější informace a kontrast o tom, co se děje uvnitř těla, s nižšími dávkami záření z rentgenových paprsků a menší nebo žádnou potřebou použití kontrastní materiály (barviva), podle Phuong-Anh T. Duong, ředitele CT na katedře radiologie a zobrazovacích věd v Emory University v Gruzii.
Dále čtení:
- Přečtěte si více o Průzkumníku obrazových rentgenových polarizací NASA.
- Další informace o rentgenové a energetické ztrátové spektroskopii od Národní laboratoře pro obnovitelné zdroje energie.
- Podívejte se na tuto řadu lekčních plánů na rentgenové spektroskopii hvězd z NASA.
