Röntgenspektroskopi är en teknik som detekterar och mäter fotoner, eller partiklar av ljus, som har våglängder i röntgendelen av det elektromagnetiska spektrumet. Det används för att hjälpa forskare att förstå de kemiska och elementära egenskaperna hos ett objekt.
Det finns flera olika röntgenspektroskopimetoder som används inom många vetenskaps- och teknikdiscipliner, inklusive arkeologi, astronomi och teknik. Dessa metoder kan användas oberoende eller tillsammans för att skapa en mer fullständig bild av materialet eller objektet som analyseras.
Historia
Wilhelm Conrad Röntgen, en tysk fysiker, tilldelades det första nobelpriset i fysik 1901 för sin upptäckt av röntgenstrålar 1895. Hans nya teknik användes snabbt av andra forskare och läkare, enligt SLAC National Accelerator Laboratory.
Charles Barkla, en brittisk fysiker, gjorde forskning mellan 1906 och 1908 som ledde till hans upptäckt att röntgenstrålar kunde vara karakteristiska för enskilda ämnen. Hans arbete fick honom också ett Nobelpris i fysik, men inte förrän 1917.
Användningen av röntgen-spektroskopi började faktiskt lite tidigare, 1912, med början med ett far-och-son-team av brittiska fysiker, William Henry Bragg och William Lawrence Bragg. De använde spektroskopi för att studera hur röntgenstrålning interagerade med atomer i kristaller. Deras teknik, kallad röntgenkristallografi, blev standard i fältet året efter och de vann Nobelpriset i fysik 1915.
Hur röntgenspektroskopi fungerar
När en atom är instabil eller bombarderas med partiklar med hög energi, övergår dess elektroner från en energinivå till en annan. När elektronerna justeras absorberar och släpper elementet röntgenfotoner med hög energi på ett sätt som är karakteristiskt för atomer som utgör det specifika kemiska elementet. Röntgenspektroskopi mäter dessa förändringar i energi, vilket gör det möjligt för forskare att identifiera element och förstå hur atomerna i olika material interagerar.
Det finns två huvudsakliga röntgenspektroskopitekniker: våglängdsdispersiv röntgenspektroskopi (WDXS) och energidispersiv röntgenspektroskopi (EDXS). WDXS mäter röntgenstrålarna med en enda våglängd som är diffraherad av en kristall. EDXS mäter röntgenstrålningen som avges av elektroner som stimuleras av en högenergikälla för laddade partiklar.
I båda teknikerna indikerar hur strålningen är spridd indikerar materialets atomstruktur och därför elementen i objektet som analyseras.
Flera applikationer
Idag används röntgenspektroskopi inom många vetenskapliga och tekniska områden, inklusive arkeologi, astronomi, teknik och hälsa.
Antropologer och arkeologer kan upptäcka dold information om de antika artefakterna och resterna som de hittar genom att analysera dem med röntgenspektroskopi. Till exempel använde Lee Sharpe, docent i kemi vid Grinnell College i Iowa, och hans kollegor, en metod som kallas XRF-fluorescens (XRF) -spektroskopi för att identifiera ursprunget till obsidiska pilspetsar gjorda av förhistoriska människor i Nordamerikas sydväst. Teamet publicerade sina resultat i oktober 2018 i Journal of Archaeological Science: Reports.
Röntgenspektroskopi hjälper också astrofysiker att lära sig mer om hur objekt i rymden fungerar. Till exempel planerar forskare från Washington University i St. Louis att observera röntgenstrålar som kommer från kosmiska föremål, som svarta hål, för att lära sig mer om deras egenskaper. Teamet, under ledning av Henric Krawczynski, en experimentell och teoretisk astrofysiker, planerar att lansera en typ av röntgenspektrometer som kallas en röntgenpolarimeter. Från och med december 2018 kommer instrumentet att hängas upp i jordens atmosfär av en heliumfylld ballong med lång varaktighet.
Yury Gogotsi, kemist och materialtekniker vid Drexel University i Pennsylvania, skapar spray-på-antenner och vattenavsaltningsmembran med material analyserade med röntgenspektroskopi.
De osynliga spray-on-antennerna är bara några tiotal nanometer tjocka men kan sända och rikta radiovågor. En teknik som kallas röntgenabsorptionsspektroskopi (XAS) hjälper till att säkerställa att sammansättningen av det otroligt tunna materialet är korrekt och hjälper till att bestämma konduktiviteten. "Hög metallisk ledningsförmåga krävs för att antenner ska fungera bra, så vi måste noga övervaka materialet," sade Gogotsi.
Gogotsi och hans kollegor använder också röntgenspektroskopi för att analysera ytkemi för komplexa membran som avsaltar vatten genom att filtrera bort specifika joner, t.ex. natrium.
Användning av röntgenspektroskopi kan också hittas inom flera områden inom medicinsk forskning och praktik, såsom i moderna CT-skanningsmaskiner. Insamling av röntgenabsorptionsspektra under CT-skanningar (via fotonräkning eller spektral CT-skanner) kan ge mer detaljerad information och kontrast om vad som händer inne i kroppen, med lägre strålningsdoser från röntgenstrålarna och mindre eller inget behov av att använda kontrastmaterial (färgämnen), enligt Phuong-Anh T. Duong, chef för CT vid Emory University Department of Radiology and Imaging Sciences i Georgia.
Ytterligare läsning:
- Läs mer om NASA: s Imaging X-Ray Polarimetry Explorer.
- Läs mer om röntgen- och energiförlustspektroskopi från National Renewable Energy Laboratory.
- Kolla in denna serie lektionsplaner på röntgenspektroskopi av stjärnor från NASA.
