Røntgenspektroskopi er en teknik, der detekterer og måler fotoner eller partikler af lys, der har bølgelængder i røntgendelen af det elektromagnetiske spektrum. Det bruges til at hjælpe forskere med at forstå de kemiske og elementære egenskaber ved et objekt.
Der er flere forskellige røntgenstrålespektroskopimetoder, der bruges i mange videnskabelige og teknologiske discipliner, herunder arkæologi, astronomi og teknik. Disse metoder kan bruges uafhængigt eller sammen for at skabe et mere komplet billede af det materiale eller det objekt, der analyseres.
Historie
Wilhelm Conrad Röntgen, en tysk fysiker, blev tildelt den første Nobelpris i fysik i 1901 for hans opdagelse af røntgenstråler i 1895. Hans nye teknologi blev hurtigt taget i brug af andre forskere og læger, ifølge SLAC National Accelerator Laboratory.
Charles Barkla, en britisk fysiker, forskede mellem 1906 og 1908, hvilket førte til hans opdagelse af at røntgenstråler kunne være karakteristiske for individuelle stoffer. Hans arbejde gav ham også en Nobelpris i fysik, men først i 1917.
Brugen af røntgenspektroskopi begyndte faktisk lidt tidligere, i 1912, startende med et far-og-søn-team af britiske fysikere, William Henry Bragg og William Lawrence Bragg. De brugte spektroskopi til at undersøge, hvordan røntgenstråling interagerede med atomer inden for krystaller. Deres teknik, kaldet røntgenkrystallografi, blev standarden i feltet i det følgende år, og de vandt Nobelprisen i fysik i 1915.
Sådan fungerer røntgenspektroskopi
Når et atom er ustabilt eller bombarderes med partikler med høj energi, overgår dets elektroner fra et energiniveau til et andet. Når elektronerne justeres, absorberer og frigiver elementet røntgenfotoner med høj energi på en måde, der er karakteristisk for atomer, der udgør det bestemte kemiske element. Røntgenstrålespektroskopi måler disse ændringer i energi, som gør det muligt for forskere at identificere elementer og forstå, hvordan atomerne i forskellige materialer interagerer.
Der er to vigtigste røntgenspektroskopiteknikker: bølgelængdedispersiv røntgenspektroskopi (WDXS) og energidispersiv røntgenspektroskopi (EDXS). WDXS måler røntgenstrålerne med en enkelt bølgelængde, der diffraheres af en krystal. EDXS måler røntgenstråling udsendt af elektroner stimuleret af en højenergikilde af ladede partikler.
I begge teknikker indikerer, hvordan strålingen er spredt, atomens struktur i materialet og derfor elementerne i objektet, der analyseres.
Flere applikationer
I dag bruges røntgenspektroskopi inden for mange videnskabelige og teknologiske områder, herunder arkæologi, astronomi, teknik og sundhed.
Antropologer og arkæologer er i stand til at opdage skjult information om de antikke artefakter og rester, de finder ved at analysere dem med røntgenspektroskopi. F.eks. Anvendte Lee Sharpe, lektor i kemi ved Grinnell College i Iowa, og hans kolleger en metode kaldet røntgenfluorescens (XRF) -spektroskopi til at identificere oprindelsen af obsidiske pilespidser lavet af forhistoriske mennesker i det nordamerikanske sydvest. Holdet offentliggjorde sine resultater i oktober 2018 i Journal of Archaeological Science: Reports.
Røntgenspektroskopi hjælper også astrofysikere med at lære mere om, hvordan objekter i rummet fungerer. For eksempel planlægger forskere fra Washington University i St. Louis at observere røntgenstråler, der kommer fra kosmiske objekter, såsom sorte huller, for at lære mere om deres egenskaber. Holdet, ledet af Henric Krawczynski, en eksperimentel og teoretisk astrofysiker, planlægger at lancere en type røntgenspektrometer kaldet et røntgenpolarimeter. Fra begyndelsen af december 2018 suspenderes instrumentet i Jordens atmosfære af en langvarig, helium-fyldt ballon.
Yury Gogotsi, kemiker og materialetekniker ved Drexel University i Pennsylvania, skaber spray-antenner og vandafsaltningssmembraner med materialer analyseret ved røntgenspektroskopi.
De usynlige sprøjteantenner er kun et par dusin nanometer tykke, men er i stand til at transmittere og dirigere radiobølger. En teknik kaldet røntgenabsorptionsspektroskopi (XAS) hjælper med at sikre, at sammensætningen af det utroligt tynde materiale er korrekt og hjælper med at bestemme konduktiviteten. ”Høj metallisk ledningsevne er påkrævet for at få antennerne god ydeevne, så vi er nødt til at overvåge materialet nøje,” sagde Gogotsi.
Gogotsi og hans kolleger bruger også røntgenspektroskopi til at analysere overfladekemi for komplekse membraner, der afsaltning af vand ved at filtrere specifikke ioner, såsom natrium.
Anvendelse af røntgenspektroskopi kan også findes inden for flere områder af medicinsk forskning og praksis, såsom i moderne CT-scanningsmaskiner. Indsamling af røntgenabsorptionsspektre under CT-scanninger (via fotontælling eller spektral CT-scanner) kan give mere detaljeret information og kontrast om, hvad der foregår inde i kroppen, med lavere stråledoser fra røntgenstrålene og mindre eller intet behov for at bruge kontrastmaterialer (farvestoffer) ifølge Phuong-Anh T. Duong, direktør for CT ved Emory University Department of Radiology and Imaging Sciences i Georgia.
Yderligere læsning:
- Læs mere om NASAs Imaging X-Ray Polarimetry Explorer.
- Lær mere om røntgenstråle og energitab-spektroskopi fra National Renewable Energy Laboratory.
- Tjek denne serie lektionsplaner om røntgenstrålespektroskopi af stjerner fra NASA.
