Rrezet X kanë një sërë veçorish unike si rrezatim që shkojnë përtej gjatësisë së tyre valore shumë të shkurtër. Një nga vetitë e tyre të rëndësishme për shkencën është selektiviteti elementar. Duke përzgjedhur dhe shqyrtuar spektrat e elementeve individuale që ndodhen në vende unike në molekulat komplekse, kemi një "sensor atomik" të lokalizuar. Duke i ekzaminuar këto atome në periudha të ndryshme pas ngacmimit të strukturës nga drita, ne mund të gjurmojmë zhvillimin e ndryshimeve elektronike dhe strukturore edhe në sisteme shumë komplekse, ose, me fjalë të tjera, ne mund të ndjekim elektronin përmes molekulës dhe përmes ndërfaqeve.
Histori
Shpikësi i radiografisë ishte Wilhelm Conrad Röntgen. Një herë, kur një shkencëtar po hetonte aftësinë e materialeve të ndryshme për të ndaluar rrezet, ai vendosi një copë të vogël plumbi në pozicionin e tij ndërsa po ndodhte një shkarkim. Kështu qëKështu, Roentgen pa imazhin e parë me rreze x, skeletin e tij fantazmë vezullues në një ekran me platinocianid barium. Ai më vonë raportoi se ishte në këtë pikë që ai vendosi të vazhdonte eksperimentet e tij në fshehtësi, sepse kishte frikë për reputacionin e tij profesional nëse vëzhgimet e tij ishin të gabuara. Shkencëtarit gjerman iu dha çmimi i parë Nobel në Fizikë në 1901 për zbulimin e rrezeve X në 1895. Sipas Laboratorit Kombëtar të Përshpejtuesit SLAC, teknologjia e tij e re u adoptua shpejt nga shkencëtarë dhe mjekë të tjerë.
Charles Barkla, një fizikan britanik, kreu kërkime midis viteve 1906 dhe 1908 që çuan në zbulimin e tij se rrezet X mund të jenë karakteristikë e substancave të caktuara. Puna e tij gjithashtu i dha atij Çmimin Nobel në Fizikë, por vetëm në vitin 1917.
Përdorimi i spektroskopisë me rreze X në fakt filloi pak më herët, në vitin 1912, duke filluar me bashkëpunimin midis babait dhe djalit të fizikantëve britanikë, William Henry Bragg dhe William Lawrence Bragg. Ata përdorën spektroskopinë për të studiuar ndërveprimin e rrezeve X me atomet brenda kristaleve. Teknika e tyre, e quajtur kristalografia me rreze X, u bë standardi në këtë fushë vitin e ardhshëm dhe ata morën çmimin Nobel në Fizikë në 1915.
Në veprim
Në vitet e fundit, spektrometria me rreze X është përdorur në një sërë mënyrash të reja dhe emocionuese. Në sipërfaqen e Marsit ka një spektrometër me rreze X që mbledhinformacion për elementët që përbëjnë tokën. Fuqia e trarëve u përdor për të zbuluar bojën me plumb në lodra, gjë që reduktonte rrezikun e helmimit nga plumbi. Partneriteti midis shkencës dhe artit mund të shihet në përdorimin e radiografisë kur përdoret në muze për të identifikuar elementë që mund të dëmtojnë koleksionet.
Parimet e punës
Kur një atom është i paqëndrueshëm ose bombardohet nga grimcat me energji të lartë, elektronet e tij kërcejnë midis niveleve të energjisë. Ndërsa elektronet rregullohen, elementi thith dhe lëshon fotone me rreze X me energji të lartë në një mënyrë karakteristike për atomet që përbëjnë atë element kimik të veçantë. Me spektroskopinë me rreze X, mund të përcaktohen luhatjet e energjisë. Kjo ju lejon të identifikoni grimcat dhe të shihni ndërveprimin e atomeve në mjedise të ndryshme.
Ekzistojnë dy metoda kryesore të spektroskopisë me rreze X: shpërndarja me gjatësi vale (WDXS) dhe shpërndarja e energjisë (EDXS). WDXS mat rrezet X me një gjatësi vale të vetme që shpërndahen në një kristal. EDXS mat rrezet X të emetuara nga elektronet e stimuluara nga një burim me energji të lartë të grimcave të ngarkuara.
Analiza e spektroskopisë me rreze X në të dyja metodat e shpërndarjes së rrezatimit tregon strukturën atomike të materialit dhe, rrjedhimisht, elementet brenda objektit të analizuar.
Teknika radiografike
Ekzistojnë disa metoda të ndryshme të spektroskopisë me rreze X dhe optike të spektrit elektronik, të cilat përdoren në shumë fusha të shkencës dhe teknologjisë,duke përfshirë arkeologjinë, astronominë dhe inxhinierinë. Këto metoda mund të përdoren në mënyrë të pavarur ose së bashku për të krijuar një pamje më të plotë të materialit ose objektit të analizuar.
WDXS
Sspektroskopia fotoelektronike me rreze X (WDXS) është një metodë spektroskopike sasiore e ndjeshme ndaj sipërfaqes që mat përbërjen elementare në një sërë pjesësh në sipërfaqen e materialit në studim, dhe gjithashtu përcakton formulën empirike, gjendjen kimike dhe gjendja elektronike e elementeve që ekzistojnë në material. E thënë thjesht, WDXS është një metodë e dobishme matjeje, sepse tregon jo vetëm se cilat veçori janë brenda filmit, por edhe cilat veçori formohen pas përpunimit.
Spektrat e rrezeve X përftohen duke rrezatuar një material me një rreze rreze X duke matur njëkohësisht energjinë kinetike dhe numrin e elektroneve që dalin nga 0-10 nm e sipërme e materialit të analizuar. WDXS kërkon kushte me vakum të lartë (P ~ 10-8 milibar) ose vakum ultra të lartë (UHV; P <10-9 milibar). Edhe pse aktualisht është duke u zhvilluar WDXS në presionin atmosferik, në të cilin mostrat analizohen në presione prej disa dhjetëra milibar.
ESCA (Spectroskopia Elektronike me rreze X për Analizën Kimike) është një akronim i krijuar nga ekipi hulumtues i Kai Siegbahn për të theksuar informacionin kimik (jo vetëm elementar) që ofron teknika. Në praktikë, duke përdorur burime tipike laboratorikeRrezet X, XPS zbulon të gjithë elementët me një numër atomik (Z) prej 3 (litium) dhe më të lartë. Nuk mund të zbulojë lehtësisht hidrogjenin (Z=1) ose heliumin (Z=2).
EDXS
Sspektroskopia me rreze X me shpërndarje të energjisë (EDXS) është një teknikë e mikroanalizës kimike e përdorur në lidhje me mikroskopin elektronik skanues (SEM). Metoda EDXS zbulon rrezet X të emetuara nga një kampion kur bombardohet me një rreze elektronike për të karakterizuar përbërjen elementare të vëllimit të analizuar. Mund të analizohen elementë ose faza të vogla sa 1 μm.
Kur një kampion bombardohet me një rreze elektronike SEM, elektronet nxirren nga atomet që përbëjnë sipërfaqen e kampionit. Boshllëqet e elektroneve që rezultojnë mbushen me elektrone nga një gjendje më e lartë dhe rrezet X lëshohen për të balancuar diferencën e energjisë midis gjendjeve të dy elektroneve. Energjia e rrezeve X është karakteristikë e elementit nga i cili është lëshuar.
Detektori me rreze x EDXS mat sasinë relative të rrezeve të emetuara në varësi të energjisë së tyre. Detektori është zakonisht një pajisje me litium në gjendje të ngurtë me lëvizje silikoni. Kur një rreze e rënë me rreze X godet një detektor, ai krijon një impuls ngarkese që është në proporcion me energjinë e rrezeve X. Pulsi i ngarkesës shndërrohet në një impuls të tensionit (i cili mbetet proporcional me energjinë e rrezeve X) me anë të një parapërforcuesi të ndjeshëm ndaj ngarkesës. Sinjali dërgohet më pas në një analizues shumëkanalësh ku pulset renditen sipas tensionit. Energjia e përcaktuar nga matja e tensionit për çdo rreze X të incidentit dërgohet në një kompjuter për shfaqje dhe vlerësim të mëtejshëm të të dhënave. Spektri i energjisë së rrezeve X kundrejt numërimit është vlerësuar për të përcaktuar përbërjen elementare të madhësisë së kampionit.
XRF
Sspektroskopia e fluoreshencës me rreze X (XRF) përdoret për analiza kimike rutinë, relativisht jo-shkatërruese të shkëmbinjve, mineraleve, sedimenteve dhe lëngjeve. Megjithatë, XRF zakonisht nuk mund të analizojë në përmasa të vogla pikash (2-5 mikron), kështu që përdoret zakonisht për analiza në masë të fraksioneve të mëdha të materialeve gjeologjike. Lehtësia relative dhe kostoja e ulët e përgatitjes së mostrës, si dhe qëndrueshmëria dhe lehtësia e përdorimit të spektrometrit me rreze X, e bëjnë këtë metodë një nga më të përdorurat për analizën e elementëve gjurmë kryesorë në shkëmbinj, minerale dhe sedimente.
Fizika e XRF XRF varet nga parimet themelore që janë të përbashkëta për disa teknika të tjera instrumentale që përfshijnë ndërveprimet midis rrezeve elektronike dhe rrezeve X në mostra, duke përfshirë teknikat e radiografisë si SEM-EDS, difraksioni (XRD) dhe gjatësia e valës radiografi dispersive (mikrosondë WDS).
Analiza e elementëve gjurmë kryesorë në materialet gjeologjike me anë të XRF është e mundur për shkak të sjelljes së atomeve kur ato ndërveprojnë me rrezatimin. Kur materialetTë ngacmuar nga rrezatimi me gjatësi vale të shkurtër me energji të lartë (të tilla si rrezet X), ato mund të jonizohen. Nëse ka energji të mjaftueshme rrezatimi për të zhvendosur elektronin e brendshëm të mbajtur fort, atomi bëhet i paqëndrueshëm dhe elektroni i jashtëm zëvendëson atë të brendshëm që mungon. Kur kjo ndodh, energjia çlirohet për shkak të energjisë së reduktuar të lidhjes së orbitalës së brendshme të elektronit në krahasim me atë të jashtme. Rrezatimi ka një energji më të ulët se rrezja X fillestare dhe quhet fluoreshente.
Spektometri XRF funksionon sepse nëse një kampion ndriçohet me një rreze intensive me rreze X, e njohur si një rreze rënëse, një pjesë e energjisë shpërndahet, por një pjesë gjithashtu absorbohet në kampion, gjë që varet nga kimikati i saj. përbërje.
XAS
Sspektroskopia e përthithjes me rreze X (XAS) është matja e kalimeve nga gjendjet elektronike bazë të një metali në gjendjet elektronike të ngacmuara (LUMO) dhe vazhdimësi; e para njihet si Struktura afër përthithjes me rreze X (XANES) dhe e dyta si Struktura e imët e përthithjes së zgjeruar me rreze X (EXAFS), e cila studion strukturën e imët të përthithjes në energjitë mbi pragun e lëshimit të elektroneve. Këto dy metoda ofrojnë informacion shtesë strukturor, spektrat XANES që raportojnë strukturën elektronike dhe simetrinë e vendit metalik, dhe EXAFS raportojnë numrat, llojet dhe distancat me ligandët dhe atomet fqinje nga elementi absorbues.
XAS na lejon të studiojmë strukturën lokale të një elementi me interes pa ndërhyrje nga përthithja nga një matricë proteine, uji ose ajri. Megjithatë, spektroskopia me rreze X të metaloenzimave ka qenë një sfidë për shkak të përqendrimit të vogël relativ të elementit me interes në kampion. Në një rast të tillë, qasja standarde ishte përdorimi i fluoreshencës me rreze X për të zbuluar spektrat e përthithjes në vend të përdorimit të mënyrës së zbulimit të transmetimit. Zhvillimi i gjeneratës së tretë të burimeve intensive të rrezeve X të rrezatimit sinkrotron ka bërë gjithashtu të mundur studimin e mostrave të holluara.
Komplekset metalike, si modele me struktura të njohura, ishin thelbësore për të kuptuar XAS të metaloproteinave. Këto komplekse ofrojnë bazën për vlerësimin e ndikimit të mediumit të koordinimit (ngarkesa koordinuese) në energjinë e skajit të përthithjes. Studimi i komplekseve të modeleve të karakterizuara nga ana strukturore gjithashtu ofron një pikë referimi për të kuptuar EXAFS nga sistemet metalike me strukturë të panjohur.
Një avantazh i rëndësishëm i XAS ndaj kristalografisë me rreze X është se informacioni strukturor lokal rreth një elementi me interes mund të merret edhe nga mostrat e çrregullta si pluhurat dhe tretësirat. Megjithatë, mostrat e porositura si membranat dhe kristalet e vetme shpesh rrisin informacionin e marrë nga XAS. Për kristalet e vetme të orientuara ose membranat e renditura, orientimet e vektorit ndëratomik mund të nxirren nga matjet e dikroizmit. Këto metoda janë veçanërisht të dobishme për përcaktimin e strukturave të grupimeve.metale polinukleare si grupi Mn4Ca i lidhur me oksidimin e ujit në kompleksin fotosintetik që çliron oksigjen. Për më tepër, ndryshimet mjaft të vogla në gjeometri/strukturë të lidhura me kalimet ndërmjet gjendjeve të ndërmjetme, të njohura si gjendjet S, në ciklin e reaksionit të oksidimit të ujit mund të zbulohen lehtësisht duke përdorur XAS.
Aplikacione
Teknikat e spektroskopisë me rreze X përdoren në shumë fusha të shkencës, duke përfshirë arkeologjinë, antropologjinë, astronominë, kiminë, gjeologjinë, inxhinierinë dhe shëndetin publik. Me ndihmën e tij, ju mund të zbuloni informacione të fshehura rreth objekteve dhe mbetjeve antike. Për shembull, Lee Sharp, profesor i asociuar i kimisë në Kolegjin Grinnell në Iowa, dhe kolegët përdorën XRF për të gjurmuar origjinën e majave të shigjetave obsidiane të bëra nga njerëzit parahistorikë në Amerikën Jugperëndimore.
Astrofizikanët, falë spektroskopisë me rreze X, do të mësojnë më shumë rreth mënyrës se si funksionojnë objektet në hapësirë. Për shembull, studiuesit në Universitetin e Uashingtonit në St. Një ekip i udhëhequr nga Henryk Kravczynski, një astrofizikan eksperimental dhe teorik, planifikon të lëshojë një spektrometër me rreze X të quajtur polarimetër me rreze X. Duke filluar nga dhjetori 2018, instrumenti u pezullua në atmosferën e Tokës me një tullumbace të mbushur me helium për një kohë të gjatë.
Yuri Gogotsi, kimist dhe inxhinier,Universiteti Drexel i Pensilvanisë krijon antena dhe membrana të spërkatura për shkripëzimin nga materialet e analizuara me anë të spektroskopisë me rreze X.
Antenat me spërkatje të padukshme janë vetëm disa dhjetëra nanometra të trasha, por të afta për të transmetuar dhe drejtuar valët e radios. Teknika XAS ndihmon për të siguruar që përbërja e materialit tepër të hollë është e saktë dhe ndihmon në përcaktimin e përçueshmërisë. "Antenat kërkojnë përçueshmëri të lartë metalike për të punuar mirë, kështu që ne duhet të monitorojmë me kujdes materialin," tha Gogotsi.
Gogotzi dhe kolegët po përdorin gjithashtu spektroskopinë për të analizuar kiminë sipërfaqësore të membranave komplekse që shkripërojnë ujin duke filtruar jonet specifike si natriumi.
Në mjekësi
Spektroskopia fotoelektronike me rreze X gjen zbatim në disa fusha të kërkimit mjekësor anatomik dhe në praktikë, për shembull, në makinat moderne të skanimit CT. Mbledhja e spektrave të absorbimit të rrezeve X gjatë një skanimi CT (duke përdorur numërimin e fotoneve ose një skaner spektral) mund të sigurojë informacion më të detajuar dhe të përcaktojë se çfarë po ndodh brenda trupit, me doza më të ulëta rrezatimi dhe më pak ose aspak nevojë për materiale kontrasti (ngjyra).
