Razele X au o serie de proprietăți unice ca radiații care depășesc lungimea lor de undă foarte scurtă. Una dintre proprietățile lor importante pentru știință este selectivitatea elementară. Prin selectarea și examinarea spectrelor elementelor individuale care sunt situate în locuri unice în molecule complexe, avem un „senzor atomic” localizat. Examinând acești atomi în momente diferite după excitarea structurii de către lumină, putem urmări dezvoltarea modificărilor electronice și structurale chiar și în sisteme foarte complexe, sau, cu alte cuvinte, putem urmări electronul prin moleculă și prin interfețe.
Istorie
Inventatorul radiografiei a fost Wilhelm Conrad Röntgen. Odată, când un om de știință investiga capacitatea diferitelor materiale de a opri razele, el a plasat o mică bucată de plumb în poziție în timp ce avea loc o descărcare. Asa deAstfel, Roentgen a văzut prima imagine cu raze X, propriul lui schelet fantomatic strălucitor pe un ecran de platinocianura de bariu. Mai târziu a raportat că în acest moment a decis să-și continue experimentele în secret, deoarece se temea pentru reputația sa profesională dacă observațiile sale erau eronate. Omul de știință german a primit primul premiu Nobel pentru fizică în 1901 pentru descoperirea razelor X în 1895. Potrivit SLAC National Accelerator Laboratory, noua sa tehnologie a fost adoptată rapid de alți oameni de știință și medici.
Charles Barkla, un fizician britanic, a efectuat cercetări între 1906 și 1908 care au condus la descoperirea sa că razele X ar putea fi caracteristice anumitor substanțe. Munca lui i-a adus și Premiul Nobel pentru fizică, dar abia în 1917.
Utilizarea spectroscopiei cu raze X a început de fapt puțin mai devreme, în 1912, începând cu colaborarea dintre tatăl și fiul fizicienilor britanici, William Henry Bragg și William Lawrence Bragg. Ei au folosit spectroscopia pentru a studia interacțiunea razelor X cu atomii din interiorul cristalelor. Tehnica lor, numită cristalografie cu raze X, a devenit standardul în domeniu în anul următor și au primit Premiul Nobel pentru fizică în 1915.
În acțiune
În ultimii ani, spectrometria cu raze X a fost folosită într-o varietate de moduri noi și interesante. Pe suprafața lui Marte există un spectrometru cu raze X care colecteazăinformatii despre elementele care alcatuiesc solul. Puterea fasciculelor a fost folosită pentru a detecta vopseaua cu plumb pe jucării, ceea ce a redus riscul de otrăvire cu plumb. Parteneriatul dintre știință și artă poate fi observat în utilizarea radiografiei atunci când este utilizată în muzee pentru a identifica elementele care ar putea deteriora colecțiile.
Principii de lucru
Când un atom este instabil sau bombardat de particule de în altă energie, electronii săi sar între nivelurile de energie. Pe măsură ce electronii se adaptează, elementul absoarbe și emite fotoni de raze X de în altă energie într-un mod caracteristic atomilor care alcătuiesc acel element chimic. Cu spectroscopie cu raze X, pot fi determinate fluctuațiile de energie. Acest lucru vă permite să identificați particulele și să vedeți interacțiunea atomilor în diferite medii.
Există două metode principale de spectroscopie cu raze X: dispersiv pe lungime de undă (WDXS) și dispersiv de energie (EDXS). WDXS măsoară razele X cu o singură lungime de undă care sunt difractate pe un cristal. EDXS măsoară razele X emise de electroni stimulați de o sursă de energie mare de particule încărcate.
Analiza spectroscopiei cu raze X în ambele metode de distribuție a radiațiilor indică structura atomică a materialului și, prin urmare, elementele din obiectul analizat.
Tehnici radiografice
Există mai multe metode diferite de raze X și spectroscopie optică a spectrului electronic, care sunt utilizate în multe domenii ale științei și tehnologiei,inclusiv arheologie, astronomie și inginerie. Aceste metode pot fi utilizate independent sau împreună pentru a crea o imagine mai completă a materialului sau obiectului analizat.
WDXS
Spectroscopia fotoelectronilor cu raze X (WDXS) este o metodă spectroscopică cantitativă sensibilă la suprafață care măsoară compoziția elementară într-o serie de părți de pe suprafața materialului studiat și, de asemenea, determină formula empirică, starea chimică și starea electronică a elementelor care există în material. Pur și simplu, WDXS este o metodă de măsurare utilă, deoarece arată nu numai ce caracteristici se află în interiorul filmului, ci și ce caracteristici se formează după procesare.
Spectrele de raze X sunt obținute prin iradierea unui material cu un fascicul de raze X în timp ce se măsoară simultan energia cinetică și numărul de electroni care ies din 0-10 nm superioare a materialului analizat. WDXS necesită condiții de vid în alt (P ~ 10-8 milibari) sau vid ultra-în alt (UHV; P <10-9 milibari). Deși în prezent este în curs de dezvoltare WDXS la presiunea atmosferică, în care probele sunt analizate la presiuni de câteva zeci de milibari.
ESCA (X-ray Electron Spectroscopy for Chemical Analysis) este un acronim creat de echipa de cercetare a lui Kai Siegbahn pentru a sublinia informațiile chimice (nu doar elementare) pe care tehnica le oferă. În practică, folosind surse tipice de laboratorRaze X, XPS detectează toate elementele cu un număr atomic (Z) de 3 (litiu) și mai mare. Nu poate detecta cu ușurință hidrogenul (Z=1) sau heliul (Z=2).
EDXS
Spectroscopia cu raze X cu dispersie de energie (EDXS) este o tehnică de microanaliza chimică utilizată împreună cu microscopia electronică cu scanare (SEM). Metoda EDXS detectează razele X emise de o probă atunci când este bombardată cu un fascicul de electroni pentru a caracteriza compoziția elementară a volumului analizat. Elementele sau fazele mici de 1 µm pot fi analizate.
Când o probă este bombardată cu un fascicul de electroni SEM, electronii sunt ejectați din atomii care alcătuiesc suprafața probei. Golurile de electroni rezultate sunt umplute cu electroni dintr-o stare superioară, iar raze X sunt emise pentru a echilibra diferența de energie dintre stările celor doi electroni. Energia cu raze X este caracteristică elementului din care a fost emisă.
Detectorul de raze X EDXS măsoară cantitatea relativă de raze emise în funcție de energia lor. Detectorul este de obicei un dispozitiv cu stare solidă cu litiu cu deriva de siliciu. Când un fascicul incident de raze X lovește un detector, acesta creează un impuls de încărcare care este proporțional cu energia razelor X. Impulsul de încărcare este transformat într-un impuls de tensiune (care rămâne proporțional cu energia razelor X) prin intermediul unui preamplificator sensibil la sarcină. Semnalul este apoi trimis la un analizor multicanal unde impulsurile sunt sortate după tensiune. Energia determinată din măsurarea tensiunii pentru fiecare rază X incidentă este trimisă la un computer pentru afișare și evaluare ulterioară a datelor. Spectrul de energie de raze X versus numărare este estimat pentru a determina compoziția elementară a dimensiunii eșantionului.
XRF
Spectroscopia de fluorescență cu raze X (XRF) este utilizată pentru analiza chimică de rutină, relativ nedistructivă, a rocilor, mineralelor, sedimentelor și fluidelor. Cu toate acestea, XRF de obicei nu poate analiza la dimensiuni mici ale punctelor (2-5 microni), așa că este de obicei utilizat pentru analiza în vrac a fracțiunilor mari de materiale geologice. Ușurința relativă și costul scăzut al pregătirii probelor, precum și stabilitatea și ușurința de utilizare a spectrometrelor cu raze X, fac din această metodă una dintre cele mai utilizate pe scară largă pentru analiza oligoelementelor majore din roci, minerale și sedimente.
Fizica XRF XRF depinde de principii fundamentale care sunt comune mai multor alte tehnici instrumentale care implică interacțiuni între fasciculele de electroni și razele X de pe probe, inclusiv tehnici de radiografie cum ar fi SEM-EDS, difracția (XRD) și lungimea de undă radiografie dispersivă (microsondă WDS).
Analiza principalelor oligoelemente din materialele geologice prin XRF este posibilă datorită comportamentului atomilor atunci când interacționează cu radiația. Când materialeleEmoționați de radiațiile cu lungime de undă scurtă de mare energie (cum ar fi razele X), ele pot deveni ionizate. Dacă există suficientă energie de radiație pentru a disloca electronul interior strâns, atomul devine instabil, iar electronul exterior îl înlocuiește pe cel interior lipsă. Când se întâmplă acest lucru, energia este eliberată datorită energiei de legare reduse a orbitalului electronilor interior în comparație cu cel exterior. Radiația are o energie mai mică decât razele X incidente primare și se numește fluorescentă.
Spectrometrul XRF funcționează deoarece, dacă o probă este iluminată cu un fascicul intens de raze X, cunoscut sub numele de fascicul incident, o parte din energie este împrăștiată, dar o parte este și absorbită în probă, ceea ce depinde de substanța chimică a acestuia. compoziție.
XAS
Spectroscopia de absorbție a razelor X (XAS) este măsurarea tranzițiilor de la stările electronice fundamentale ale unui metal la stările electronice excitate (LUMO) și continuu; prima este cunoscută sub denumirea de X-ray Absorption Near Structure (XANES), iar cea de-a doua sub denumirea de X-ray Extended Absorption Fine Structure (EXAFS), care studiază structura fină a absorbției la energii peste pragul de eliberare a electronilor. Aceste două metode oferă informații structurale suplimentare, spectre XANES care raportează structura electronică și simetria locului metalic și EXAFS raportează numerele, tipurile și distanța față de liganzi și atomii învecinați din elementul absorbant.
XAS ne permite să studiem structura locală a unui element de interes fără interferențe din cauza absorbției de către o matrice proteică, apă sau aer. Cu toate acestea, spectroscopia cu raze X a metaloenzimelor a fost o provocare din cauza concentrației relative mici a elementului de interes din probă. Într-un astfel de caz, abordarea standard a fost utilizarea fluorescenței cu raze X pentru a detecta spectre de absorbție în loc de a utiliza modul de detectare a transmisiei. Dezvoltarea surselor intense de raze X de radiație sincrotron de a treia generație a făcut posibilă, de asemenea, studierea probelor diluate.
Complecșii metalici, ca modele cu structuri cunoscute, au fost esențiale pentru înțelegerea XAS al metaloproteinelor. Aceste complexe oferă baza pentru evaluarea influenței mediului de coordonare (sarcina de coordonare) asupra energiei marginii de absorbție. Studiul complexelor model bine caracterizate structural oferă, de asemenea, un punct de referință pentru înțelegerea EXAFS din sistemele metalice cu structură necunoscută.
Un avantaj semnificativ al XAS față de cristalografia cu raze X este că informațiile structurale locale din jurul unui element de interes pot fi obținute chiar și din probe dezordonate, cum ar fi pulberi și soluții. Cu toate acestea, eșantioanele comandate, cum ar fi membranele și monocristalele, cresc adesea informațiile obținute din XAS. Pentru monocristale orientate sau membrane ordonate, orientările vectorului interatomic pot fi deduse din măsurătorile dicroismului. Aceste metode sunt utile în special pentru determinarea structurilor clusterului.metale polinucleare precum clusterul Mn4Ca asociat cu oxidarea apei în complexul fotosintetic care eliberează oxigen. Mai mult decât atât, modificări destul de mici ale geometriei/structurii asociate cu tranzițiile între stările intermediare, cunoscute sub denumirea de stări S, în ciclul de reacție de oxidare a apei pot fi detectate cu ușurință folosind XAS.
Aplicații
Tehnicile de spectroscopie cu raze X sunt utilizate în multe domenii ale științei, inclusiv arheologie, antropologie, astronomie, chimie, geologie, inginerie și sănătate publică. Cu ajutorul acestuia, puteți descoperi informații ascunse despre artefacte și rămășițe antice. De exemplu, Lee Sharp, profesor asociat de chimie la Grinnell College din Iowa, și colegii săi au folosit XRF pentru a urmări originea vârfurilor de săgeți obsidiane făcute de oameni preistorici din sud-vestul Americii de Nord.
Astrofizicienii, datorită spectroscopiei cu raze X, vor afla mai multe despre modul în care funcționează obiectele din spațiu. De exemplu, cercetătorii de la Universitatea Washington din St. Louis plănuiesc să observe razele X de la obiecte cosmice, cum ar fi găurile negre, pentru a afla mai multe despre caracteristicile lor. O echipă condusă de Henryk Kravczynski, un astrofizician experimental și teoretic, intenționează să lanseze un spectrometru de raze X numit polarimetru de raze X. Începând cu decembrie 2018, instrumentul a fost suspendat în atmosfera Pământului cu un balon plin cu heliu pentru o lungă perioadă de timp.
Yuri Gogotsi, chimist și inginer,Universitatea Drexel din Pennsylvania creează antene și membrane pulverizate pentru desalinizare din materiale analizate prin spectroscopie cu raze X.
Antenele invizibile pulverizate au o grosime de doar câteva zeci de nanometri, dar sunt capabile să transmită și să direcționeze undele radio. Tehnica XAS ajută la asigurarea faptului că compoziția materialului incredibil de subțire este corectă și ajută la determinarea conductivității. „Antenele necesită o conductivitate metalică ridicată pentru a funcționa bine, așa că trebuie să urmărim îndeaproape materialul”, a spus Gogotsi.
Gogotzi și colegii folosesc, de asemenea, spectroscopia pentru a analiza chimia de suprafață a membranelor complexe care desalinizează apa prin filtrarea ionilor specifici, cum ar fi sodiul.
În medicină
Spectroscopia fotoelectronului cu raze X își găsește aplicație în mai multe domenii ale cercetării medicale anatomice și în practică, de exemplu, în aparatele moderne de scanare CT. Colectarea spectrelor de absorbție a razelor X în timpul unei scanări CT (folosind numărarea fotonilor sau un scaner spectral) poate oferi informații mai detaliate și poate determina ce se întâmplă în interiorul corpului, cu doze mai mici de radiații și mai puțin sau fără nevoie de substanțe de contrast (coloranți).
