Röntgenspektroskoopia on tehnika, mis tuvastab ja mõõdab valguseid footoneid või valguse osakesi, mille lainepikkus on elektromagnetilise spektri röntgenosas. Seda kasutatakse teadlaste abistamiseks objekti keemiliste ja elementide omaduste mõistmisel.
On mitmeid erinevaid röntgenspektroskoopia meetodeid, mida kasutatakse paljudes teaduse ja tehnoloogia valdkondades, sealhulgas arheoloogias, astronoomias ja inseneriteaduses. Neid meetodeid saab kasutada iseseisvalt või koos, et luua analüüsitavast materjalist või objektist terviklikum pilt.
Ajalugu
Saksa füüsik Wilhelm Conrad Röntgen pälvis 1901. aastal esimese Nobeli füüsikapreemia selle eest, et ta avastas röntgenikiirte 1895. aastal. SLACi riikliku kiirendi laboratooriumi andmetel panid tema uue tehnoloogia kiiresti teised teadlased ja arstid kasutusele.
Briti füüsik Charles Barkla viis aastatel 1906–1908 läbi uurimistööd, mis viisid tema avastuseni, et röntgenikiirgus võib olla iseloomulik üksikutele ainetele. Tema töö pälvis talle ka füüsika Nobeli preemia, kuid alles 1917. aastal.
Röntgenspektroskoopia kasutamist alustati tegelikult natuke varem, 1912. aastal, alustades Briti füüsikute William Henry Braggi ja William Lawrence Braggi isa-poja meeskonnast. Nad kasutasid spektroskoopiat, et uurida, kuidas röntgenkiirgus interakteerus kristallide aatomitega. Nende tehnika, mida nimetatakse röntgenkristallograafiaks, muudeti valdkonnas järgmisel aastal standardiks ja nad võitsid 1915. aastal füüsika Nobeli preemia.
Kuidas röntgen-spektroskoopia töötab?
Kui aatom on ebastabiilne või pommitatakse kõrge energiaga osakestega, siirduvad selle elektronid ühelt energiatasandilt teisele. Kui elektronid kohanevad, neelab ja vabastab element suure energiatarbega röntgenkiirte footoneid, mis on iseloomulikud aatomitele, mis moodustavad selle konkreetse keemilise elemendi. Röntgen-spektroskoopia mõõdab neid muutusi energias, mis võimaldab teadlastel tuvastada elemente ja mõista, kuidas erinevate materjalide aatomid interakteeruvad.
On olemas kaks peamist röntgenspektroskoopia tehnikat: lainepikkuses hajuv röntgenspektroskoopia (WDXS) ja energiat hajutav röntgenspektroskoopia (EDXS). WDXS mõõdab ühe lainepikkusega röntgenkiirte, mida difraktsioon hajub. EDXS mõõdab elektronide kiirgavat röntgenkiirgust, mida stimuleerib laetud osakeste suure energiaallikaga allikas.
Mõlemas meetodis näitab kiirguse hajutatus materjali aatomistruktuuri ja seetõttu ka analüüsitavas objektis olevaid elemente.
Mitu rakendust
Tänapäeval kasutatakse röntgenspektroskoopiat paljudes teaduse ja tehnoloogia valdkondades, sealhulgas arheoloogias, astronoomias, inseneriteaduses ja tervishoius.
Antropoloogid ja arheoloogid on võimelised avastama varjatud teavet iidsete esemete ja säilmete kohta, mida nad leiavad, analüüsides neid röntgenspektroskoopia abil. Näiteks Iowa Grinnelli kolledži keemia dotsent Lee Sharpe ja tema kolleegid kasutasid Põhja-Ameerika edelaosas eelajalooliste inimeste tehtud obsidiaanlike nooleotste päritolu tuvastamiseks meetodit, mida nimetatakse röntgenfluorestsentsspektroskoopiaks (XRF). Meeskond avaldas oma tulemused 2018. aasta oktoobris ajakirjas Archaeological Science: Reports.
Röntgenspektroskoopia aitab ka astrofüüsikutel rohkem teada saada, kuidas kosmoseobjektid toimivad. Näiteks plaanivad St. Louis'i Washingtoni ülikooli teadlased jälgida röntgenikiirte, mis pärinevad kosmilistest objektidest, näiteks mustadest aukudest, et nende omaduste kohta rohkem teada saada. Eksperimentaalse ja teoreetilise astrofüüsiku Henric Krawczynski juhitud meeskond plaanib käivitada röntgenispektromeetri tüüpi, mida nimetatakse röntgenpolarimeetriks. Alates 2018. aasta detsembrist ripub instrument Maa atmosfääris pikaajalise heeliumiga täidetud õhupalli abil.
Pennsylvania Drexeli ülikooli keemik ja materjalide insener Yury Gogotsi loob röntgenispektroskoopia abil analüüsitud materjalidega pihustusantenne ja vee magestamise membraane.
Nähtamatud pihustatavad antennid on vaid mõnikümmend nanomeetrit paksud, kuid suudavad raadiolaineid edastada ja suunata. Röntgenkiirguse neeldumisspektroskoopiaks (XAS) nimetatav tehnika aitab tagada uskumatult õhukese materjali õige sisalduse ja aitab määrata juhtivuse. "Antennide hea jõudluse tagamiseks on vaja suurt metallijuhtivust, seetõttu peame materjali hoolikalt jälgima," sõnas Gogotsi.
Gogotsi ja tema kolleegid kasutavad röntgen-spektroskoopiat ka vett magestavate kompleksmembraanide pinnakeemia analüüsimisel, filtreerides välja spetsiifilised ioonid, näiteks naatrium.
Röntgenspektroskoopia kasutamist võib leida ka mitmetest meditsiiniliste uuringute ja praktika valdkondadest, näiteks tänapäevastes CT-skaneerimismasinates. Röntgenikiirguse neeldumisspektrite kogumine CT-skaneerimise ajal (footonite loendamise või CT-spektri skänneri kaudu) võib anda täpsemat teavet ja kontrasti kehas toimuva kohta, kui röntgenikiirgusest tulenevad madalamad kiirgusdoosid on vähem kasutatavad või puudub vajadus nende kasutamiseks kontrastmaterjalid (värvained), ütles Georgiani Emory ülikooli radioloogia ja pilditeaduste osakonna CT direktori Phuong-Anh T. Duongi sõnul CT.
Edasi lugemine:
- Lisateave NASA kujutise röntgenpolarimeetria uurija kohta.
- Lisateavet röntgenikiirguse ja energiakadude spektroskoopia kohta saate Riiklikust Taastuvenergia laborist.
- Vaadake NASA seda tähesärade röntgenispektroskoopia tunniplaanide sarja.
