Röntgenkiirtel on kiirgusena mitmeid ainulaadseid omadusi, mis ületavad nende väga lühikese lainepikkuse. Üks nende olulisi omadusi teaduse jaoks on elementaarne selektiivsus. Valides ja uurides üksikute elementide spektreid, mis paiknevad keerulistes molekulides ainulaadsetes kohtades, on meil lokaliseeritud "aatomiandur". Uurides neid aatomeid erinevatel aegadel pärast struktuuri valgusega ergastamist, saame jälgida elektrooniliste ja struktuursete muutuste arengut isegi väga keerulistes süsteemides ehk teisisõnu jälgida elektroni läbi molekuli ja liideste kaudu.
Ajalugu
Röntgenograafia leiutaja oli Wilhelm Conrad Röntgen. Kord, kui teadlane uuris erinevate materjalide võimet kiiri peatada, asetas ta tühjenemise ajal väikese pliitüki oma kohale. NiisiisNii nägi Roentgen baariumplatinotsüaniidi ekraanil esimest röntgenpilti, tema enda sädelevat kummituslikku skeletti. Hiljem teatas ta, et just sel hetkel otsustas ta oma katseid salaja jätkata, kuna kartis oma professionaalse maine pärast, kui tema tähelepanekud on ekslikud. Saksa teadlane pälvis 1901. aastal esimese Nobeli füüsikaauhinna 1895. aastal röntgenkiirguse avastamise eest. SLAC National Accelerator Laboratory andmetel võtsid teised teadlased ja arstid tema uue tehnoloogia kiiresti kasutusele.
Briti füüsik Charles Barkla viis aastatel 1906–1908 läbi uuringud, mille tulemusel ta avastas, et röntgenikiirgus võib olla teatud ainetele iseloomulik. Tema töö tõi talle ka Nobeli füüsikaauhinna, kuid alles 1917. aastal.
Röntgenspektroskoopia kasutamine algas tegelikult veidi varem, 1912. aastal, alustades Briti füüsikute William Henry Braggi ja William Lawrence Braggi isa ja poja koostööst. Nad kasutasid spektroskoopiat, et uurida röntgenkiirte vastasmõju kristallide sees olevate aatomitega. Nende tehnikast, mida nimetatakse röntgenkristallograafiaks, sai järgmisel aastal selles valdkonnas standard ja nad said 1915. aastal Nobeli füüsikaauhinna.
Tegevuses
Viimastel aastatel on röntgenspektromeetriat kasutatud mitmel uuel ja põneval viisil. Marsi pinnal on röntgenspektromeeter, mis kogubteave pinnase moodustavate elementide kohta. Talade võimsust kasutati mänguasjade pliivärvi tuvastamiseks, mis vähendas pliimürgistuse ohtu. Teaduse ja kunsti vahelist partnerlust võib näha radiograafia kasutamises, kui seda kasutatakse muuseumides kogusid kahjustada võivate elementide tuvastamiseks.
Tööpõhimõtted
Kui aatom on ebastabiilne või pommitatakse suure energiaga osakestega, hüppavad selle elektronid energiatasemete vahel. Elektronide kohanemisel neelab ja kiirgab element suure energiaga röntgenikiirguse footoneid viisil, mis on iseloomulik selle konkreetse keemilise elemendi moodustavatele aatomitele. Röntgenspektroskoopia abil saab määrata energia kõikumisi. See võimaldab teil tuvastada osakesi ja näha aatomite vastasmõju erinevates keskkondades.
Röntgenspektroskoopias on kaks peamist meetodit: lainepikkust hajutav (WDXS) ja energiat hajutav (EDXS). WDXS mõõdab ühe lainepikkusega röntgenikiirgust, mis kristallil hajuvad. EDXS mõõdab röntgenikiirgust, mida kiirgavad elektronid, mida stimuleerib laetud osakeste kõrge energiaallikas.
Röntgenspektroskoopia analüüs mõlema kiirgusjaotuse meetodi puhul näitab materjali aatomistruktuuri ja seega ka analüüsitavas objektis olevaid elemente.
Radiograafilised tehnikad
Elektroonilise spektri röntgen- ja optilise spektroskoopia meetodeid on mitu, mida kasutatakse paljudes teaduse ja tehnoloogia valdkondades,sealhulgas arheoloogia, astronoomia ja inseneriteadus. Neid meetodeid saab kasutada eraldi või koos, et luua analüüsitavast materjalist või objektist terviklikum pilt.
WDXS
Röntgenikiirguse fotoelektronspektroskoopia (WDXS) on pinnatundlik kvantitatiivne spektroskoopiline meetod, mis mõõdab elementide koostist uuritava materjali pinna erinevates osades ning määrab ka empiirilise valemi, keemilise oleku ja materjalis esinevate elementide elektrooniline olek. Lihtsam alt öeldes on WDXS kasulik mõõtmismeetod, kuna see ei näita mitte ainult seda, millised omadused on filmi sees, vaid ka millised omadused tekivad pärast töötlemist.
Röntgenispektrid saadakse materjali kiiritamisel röntgenikiirega, mõõtes samal ajal kineetilist energiat ja elektronide arvu, mis väljuvad analüüsitava materjali ülemisest 0-10 nm-st. WDXS nõuab kõrgvaakumi (P ~ 10-8 millibaari) või ülikõrge vaakumi (UHV; P <10-9 millibaari) tingimusi. Kuigi praegu töötatakse välja atmosfäärirõhul töötavat WDXS-i, milles proove analüüsitakse mitmekümne millibaari suuruse rõhu all.
ESCA (keemilise analüüsi röntgen-elektronspektroskoopia) on Kai Siegbahni uurimisrühma loodud akronüüm, et rõhutada keemilist (mitte ainult elementaarset) teavet, mida tehnika annab. Praktikas, kasutades tüüpilisi laboriallikaidRöntgenikiirgus tuvastab XPS kõik elemendid, mille aatomnumber (Z) on 3 (liitium) või suurem. See ei suuda kergesti tuvastada vesinikku (Z=1) ega heeliumi (Z=2).
EDXS
Energiadispersiivne röntgenspektroskoopia (EDXS) on keemilise mikroanalüüsi tehnika, mida kasutatakse koos skaneeriva elektronmikroskoopiaga (SEM). EDXS-meetod tuvastab analüüsitava ruumala elementaarse koostise iseloomustamiseks elektronkiirega pommitamisel proovi poolt kiiratud röntgenikiirguse. Analüüsida saab nii väikeseid elemente või faase kui 1 µm.
Kui proovi pommitatakse SEM-elektronkiirega, paiskuvad elektronid välja proovi pinna moodustavatest aatomitest. Saadud elektronide tühimikud täidetakse kõrgemast olekust pärit elektronidega ja kahe elektroni olekute energiaerinevuse tasakaalustamiseks kiirgatakse röntgenikiirgus. Röntgenikiirguse energia on iseloomulik elemendile, millest see välja tuli.
EDXS-i röntgendetektor mõõdab kiirgavate kiirte suhtelist hulka sõltuv alt nende energiast. Detektor on tavaliselt räni triiviv liitiumi tahkisseade. Kui langev röntgenikiir tabab detektorit, tekitab see laenguimpulsi, mis on võrdeline röntgenikiirguse energiaga. Laenguimpulss muundatakse laengutundliku eelvõimendi abil pingeimpulsiks (mis jääb võrdeliseks röntgenkiirguse energiaga). Seejärel saadetakse signaal mitme kanaliga analüsaatorisse, kus impulsid sorteeritakse pinge järgi. Iga langeva röntgenikiirguse pinge mõõtmisel saadud energia saadetakse kuvamiseks ja andmete edasiseks hindamiseks arvutisse. Röntgenikiirguse energiaspekter versus loendus määrab hinnanguliselt valimi suuruse elementide koostise.
XRF
Röntgenfluorestsentsspektroskoopiat (XRF) kasutatakse kivimite, mineraalide, setete ja vedelike tavapäraseks suhteliselt mittepurustavaks keemiliseks analüüsiks. Siiski ei saa XRF tavaliselt analüüsida väikeste täppidega (2–5 mikronit), seetõttu kasutatakse seda tavaliselt geoloogiliste materjalide suurte fraktsioonide analüüsimiseks. Proovide ettevalmistamise suhteline lihtsus ja madal hind, samuti röntgenspektromeetrite stabiilsus ja kasutusmugavus muudavad selle meetodi üheks kõige laialdasem alt kasutatavaks peamiste mikroelementide analüüsimiseks kivimites, mineraalides ja setetes.
XRF-i XRF-i füüsika sõltub aluspõhimõtetest, mis on ühised paljudele muudele instrumenta altehnikatele, mis hõlmavad elektronkiirte ja proovide röntgenikiirguse vastastikmõjusid, sealhulgas radiograafiatehnikad, nagu SEM-EDS, difraktsioon (XRD) ja lainepikkus. hajutav radiograafia (mikroprobe WDS).
Geoloogiliste materjalide peamiste mikroelementide analüüs XRF-i abil on võimalik tänu aatomite käitumisele, kui nad interakteeruvad kiirgusega. Kui materjalidSuure energiaga lühikese lainepikkusega kiirguse (nt röntgenikiirguse) poolt erutatuna võivad need ioniseerida. Kui kiirgusenergiat on piisav alt, et paigast tõrjuda tihed alt hoitud sisemist elektroni, muutub aatom ebastabiilseks ja välimine elektron asendab puuduva sisemise elektroni. Kui see juhtub, vabaneb energia sisemise elektroni orbitaali vähenenud sidumisenergia tõttu välise orbitaaliga võrreldes. Kiirgusel on madalam energia kui esmasel langeval röntgenikiirgusel ja seda nimetatakse fluorestseeruvaks.
XRF-spektromeeter töötab, sest kui proovi valgustatakse intensiivse röntgenkiirega ehk langeva kiirega, siis osa energiast hajub, kuid osa neeldub ka proovis, mis sõltub selle keemilisest koostisest. koosseis.
XAS
Röntgenikiirguse neeldumisspektroskoopia (XAS) on üleminekute mõõtmine metalli põhielektroonilistest olekutest ergastatud elektroonilistesse olekutesse (LUMO) ja kontiinumi; esimest tuntakse X-ray Absorption Near Structure (XANES) ja teist X-ray Extended Absorption Fine Structure (EXAFS) nime all, mis uurib neeldumise peenstruktuuri energiatel, mis ületavad elektronide vabanemise läve. Need kaks meetodit annavad täiendavat struktuuriteavet: XANES-i spektrid annavad teada metalli saidi elektroonilisest struktuurist ja sümmeetriast ning EXAFS-i numbrid, tüübid ja kaugused ligandide ja naaberaatomiteni neelavast elemendist.
XAS võimaldab meil uurida huvipakkuva elemendi lokaalset struktuuri ilma valgumaatriksi, vee või õhu imendumise segamiseta. Metalloensüümide röntgenspektroskoopia on aga olnud väljakutseks huvipakkuva elemendi väikese suhtelise kontsentratsiooni tõttu proovis. Sellisel juhul kasutati ülekandetuvastusrežiimi asemel röntgenfluorestsentsi, et tuvastada neeldumisspektrid. Kolmanda põlvkonna intensiivsete sünkrotronkiirguse röntgenikiirgusallikate väljatöötamine on võimaldanud uurida ka lahjendatud proove.
Metallikompleksid kui tuntud struktuuriga mudelid olid metalloproteiinide XAS-i mõistmiseks hädavajalikud. Need kompleksid annavad aluse koordinatsioonikeskkonna (koordinatsioonilaengu) mõju hindamiseks neeldumisserva energiale. Struktuuriliselt hästi iseloomustatud mudelikomplekside uurimine annab ka võrdlusaluse tundmatu struktuuriga metallsüsteemide EXAFS-i mõistmiseks.
XAS-i oluline eelis röntgenkristallograafia ees on see, et huvipakkuva elemendi kohta saab kohalikku struktuuriteavet saada isegi korrastamata proovidest, nagu pulbrid ja lahus. Tellitud proovid, nagu membraanid ja monokristallid, suurendavad aga sageli XAS-ist saadavat teavet. Orienteeritud üksikkristallide või järjestatud membraanide puhul saab dikroismi mõõtmiste põhjal järeldada interatomaarsete vektorite orientatsioone. Need meetodid on eriti kasulikud klastri struktuuride määramiseks.polünukleaarsed metallid, nagu Mn4Ca klaster, mis on seotud vee oksüdeerumisega hapnikku vabastavas fotosünteesikompleksis. Lisaks saab XAS-i abil hõlpsasti tuvastada geomeetria/struktuuri üsna väikeseid muutusi, mis on seotud vaheolekute, tuntud kui S-olekute vaheliste üleminekutega vee oksüdatsioonireaktsiooni tsüklis.
Rakendused
Röntgenspektroskoopia tehnikaid kasutatakse paljudes teadusvaldkondades, sealhulgas arheoloogias, antropoloogias, astronoomias, keemias, geoloogias, inseneriteaduses ja rahvatervises. Selle abiga saate avastada peidetud teavet iidsete esemete ja jäänuste kohta. Näiteks Iowa Grinnelli kolledži keemiadotsent Lee Sharp ja tema kolleegid kasutasid XRF-i, et tuvastada Põhja-Ameerika edelaosa eelajalooliste inimeste valmistatud obsidiaani nooleotste päritolu.
Astrofüüsikud saavad tänu röntgenspektroskoopiale rohkem teada, kuidas kosmoseobjektid töötavad. Näiteks kavatsevad St. Louisis asuva Washingtoni ülikooli teadlased vaadelda röntgenikiirgust kosmilistest objektidest, nagu mustad augud, et saada rohkem teavet nende omaduste kohta. Eksperimentaalse ja teoreetilise astrofüüsiku Henryk Kravczynski juhitud meeskond kavatseb välja anda röntgenikiirguse spektromeetri, mida nimetatakse röntgenikiirguse polarimeetriks. Alates 2018. aasta detsembrist riputati instrument pikaks ajaks Maa atmosfääris heeliumiga täidetud õhupalliga.
Juri Gogotsi, keemik ja insener,Pennsylvania Drexeli ülikool loob röntgenspektroskoopiaga analüüsitud materjalidest pihustatud antenne ja membraane magestamise jaoks.
Nähtamatud pihustatud antennid on vaid mõnekümne nanomeetri paksused, kuid on võimelised raadiolaineid edastama ja suunama. XAS-tehnika aitab tagada, et uskumatult õhukese materjali koostis on õige ja aitab määrata juhtivust. "Antennid nõuavad hästi töötamiseks suurt metallijuhtivust, seega peame materjalil hoolik alt silma peal hoidma," ütles Gogotsi.
Gogotzi ja tema kolleegid kasutavad spektroskoopiat ka keerukate membraanide pinnakeemia analüüsimiseks, mis magestavad vett, filtreerides välja spetsiifilisi ioone, näiteks naatriumi.
Meditsiinis
Röntgenfotoelektronspektroskoopia leiab rakendust mitmetes anatoomiliste meditsiiniuuringute valdkondades ja praktikas näiteks kaasaegsetes CT-skaneerimisseadmetes. Röntgenikiirguse neeldumisspektrite kogumine CT-skaneerimise käigus (kasutades footonite loendust või spektraalskannerit) võib anda üksikasjalikumat teavet ja määrata, mis toimub kehas, kusjuures kiirgusdoosid on väiksemad ja kontrastmaterjale (värvaine) on vaja vähem või üldse mitte.
