X-strale het 'n aantal unieke eienskappe as straling wat verder gaan as hul baie kort golflengte. Een van hul belangrike eienskappe vir wetenskap is elementêre selektiwiteit. Deur die spektra van individuele elemente wat op unieke plekke in komplekse molekules geleë is, te selekteer en te ondersoek, het ons 'n gelokaliseerde "atoomsensor". Deur hierdie atome op verskillende tye na opwekking van die struktuur deur lig te ondersoek, kan ons die ontwikkeling van elektroniese en strukturele veranderinge selfs in baie komplekse stelsels naspeur, of, met ander woorde, ons kan die elektron deur die molekule en deur die raakvlakke volg.
Geskiedenis
Die uitvinder van radiografie was Wilhelm Conrad Röntgen. Eenkeer, toe 'n wetenskaplike die vermoë van verskeie materiale ondersoek het om strale te stop, het hy 'n klein stukkie lood in posisie geplaas terwyl 'n ontlading plaasvind. DusSo het Roentgen die eerste x-straalbeeld gesien, sy eie glinsterende spookskelet op 'n skerm van bariumplatinosianied. Hy het later berig dat dit op hierdie stadium was dat hy besluit het om sy eksperimente in die geheim voort te sit omdat hy vir sy professionele reputasie gevrees het as sy waarnemings foutief was. Die Duitse wetenskaplike is in 1901 met die eerste Nobelprys in Fisika bekroon vir die ontdekking van X-strale in 1895. Volgens die SLAC National Accelerator Laboratory is sy nuwe tegnologie vinnig deur ander wetenskaplikes en dokters aangeneem.
Charles Barkla, 'n Britse fisikus, het tussen 1906 en 1908 navorsing gedoen wat gelei het tot sy ontdekking dat X-strale kenmerkend van sekere stowwe kan wees. Sy werk het hom ook die Nobelprys in Fisika besorg, maar eers in 1917.
Die gebruik van X-straalspektroskopie het eintlik 'n bietjie vroeër begin, in 1912, begin met die samewerking tussen pa en seun van Britse fisici, William Henry Bragg en William Lawrence Bragg. Hulle het spektroskopie gebruik om die interaksie van X-strale met atome binne-in kristalle te bestudeer. Hulle tegniek, genaamd X-straalkristallografie, het teen die volgende jaar die standaard in die veld geword, en hulle het die Nobelprys in Fisika in 1915 ontvang.
In aksie
In onlangse jare is X-straalspektrometrie op 'n verskeidenheid nuwe en opwindende maniere gebruik. Op die oppervlak van Mars is daar 'n X-straalspektrometer wat versamelinligting oor die elemente waaruit die grond bestaan. Die krag van die balke is gebruik om loodverf op speelgoed op te spoor, wat die risiko van loodvergiftiging verminder het. Die vennootskap tussen wetenskap en kuns kan gesien word in die gebruik van radiografie wanneer dit in museums gebruik word om elemente te identifiseer wat versamelings kan beskadig.
Werkbeginsels
Wanneer 'n atoom onstabiel is of deur hoë-energiedeeltjies gebombardeer is, spring sy elektrone tussen energievlakke. Soos die elektrone aanpas, absorbeer en straal die element hoë-energie X-straalfotone uit op 'n manier wat kenmerkend is van die atome waaruit daardie spesifieke chemiese element bestaan. Met X-straalspektroskopie kan fluktuasies in energie bepaal word. Dit laat jou toe om deeltjies te identifiseer en die interaksie van atome in verskeie omgewings te sien.
Daar is twee hoofmetodes van X-straalspektroskopie: golflengte dispersief (WDXS) en energie dispersief (EDXS). WDXS meet enkelgolflengte X-strale wat op 'n kristal gebuig word. EDXS meet X-strale wat uitgestraal word deur elektrone wat gestimuleer word deur 'n hoë-energie bron van gelaaide deeltjies.
Die ontleding van X-straalspektroskopie in beide metodes van stralingsverspreiding dui die atoomstruktuur van die materiaal aan en dus die elemente binne die geanaliseerde voorwerp.
Radiografiese tegnieke
Daar is verskeie metodes van X-straal en optiese spektroskopie van die elektroniese spektrum, wat in baie velde van wetenskap en tegnologie gebruik word,insluitend argeologie, sterrekunde en ingenieurswese. Hierdie metodes kan onafhanklik of saam gebruik word om 'n meer volledige prentjie van die geanaliseerde materiaal of voorwerp te skep.
WDXS
X-straalfoto-elektronspektroskopie (WDXS) is 'n oppervlaksensitiewe kwantitatiewe spektroskopiese metode wat die elementêre samestelling in 'n reeks dele op die oppervlak van die materiaal wat bestudeer word meet, en ook die empiriese formule, chemiese toestand en elektroniese toestand van die elemente wat in die materiaal bestaan. Eenvoudig gestel, WDXS is 'n nuttige meetmetode omdat dit nie net wys watter kenmerke binne die film is nie, maar ook watter kenmerke na verwerking gevorm word.
X-straalspektra word verkry deur 'n materiaal met 'n X-straalstraal te bestraal, terwyl die kinetiese energie en die aantal elektrone wat uit die boonste 0-10 nm van die geanaliseerde materiaal verskyn, gelyktydig gemeet word. WDXS vereis hoë vakuum (P ~ 10-8 millibar) of ultrahoë vakuum (UHV; P <10-9 millibar) toestande. Alhoewel die WDXS teen atmosferiese druk tans ontwikkel word, waarin monsters ontleed word teen druk van etlike tientalle millibar.
ESCA (X-ray Electron Spectroscopy for Chemical Analysis) is 'n akroniem wat deur Kai Siegbahn se navorsingspan geskep is om die chemiese (nie net elementêre) inligting wat die tegniek verskaf, te beklemtoon. In die praktyk gebruik tipiese laboratoriumbronneX-strale, XPS bespeur alle elemente met 'n atoomgetal (Z) van 3 (litium) en hoër. Dit kan nie maklik waterstof (Z=1) of helium (Z=2) opspoor nie.
EDXS
Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (EDXS) is 'n chemiese mikroanalise-tegniek wat saam met skandeerelektronmikroskopie (SEM) gebruik word. Die EDXS-metode bespeur X-strale wat deur 'n monster uitgestraal word wanneer dit met 'n elektronstraal gebombardeer word om die elementêre samestelling van die geanaliseerde volume te karakteriseer. Elemente of fases so klein as 1 µm kan ontleed word.
Wanneer 'n monster met 'n SEM-elektronstraal gebombardeer word, word elektrone uit die atome wat die oppervlak van die monster uitmaak, uitgestoot. Die resulterende elektronleemtes word gevul met elektrone van 'n hoër toestand, en X-strale word uitgestraal om die energieverskil tussen die toestande van die twee elektrone te balanseer. X-straal-energie is kenmerkend van die element waaruit dit uitgestraal is.
Die EDXS x-straalverklikker meet die relatiewe hoeveelheid strale wat uitgestraal word, afhangende van hul energie. Die detektor is gewoonlik 'n silikondrywing litium vaste toestand toestel. Wanneer 'n invallende X-straalstraal 'n detektor tref, skep dit 'n ladingspuls wat eweredig is aan die energie van die X-straal. Die ladingspuls word deur middel van 'n ladingsensitiewe voorversterker in 'n spanningspuls (wat eweredig aan die X-straalenergie bly) omgeskakel. Die sein word dan na 'n multikanaal-ontleder gestuur waar die pulse volgens spanning gesorteer word. Die energie wat uit die spanningsmeting vir elke invallende X-straal bepaal word, word na 'n rekenaar gestuur vir vertoon en verdere evaluering van die data. Die X-straal-energiespektrum teenoor telling word beraam om die elementêre samestelling van die monstergrootte te bepaal.
XRF
X-straalfluoressensiespektroskopie (XRF) word gebruik vir roetine, relatief nie-vernietigende chemiese ontleding van gesteentes, minerale, sedimente en vloeistowwe. XRF kan egter tipies nie by klein kolgroottes (2-5 mikron) ontleed nie, dus word dit tipies gebruik vir grootmaat-ontleding van groot fraksies van geologiese materiale. Die relatiewe gemak en lae koste van monstervoorbereiding, sowel as die stabiliteit en gemak van gebruik van X-straalspektrometers, maak hierdie metode een van die mees gebruikte vir die ontleding van hoofspoorelemente in gesteentes, minerale en sedimente.
Die fisika van XRF XRF hang af van fundamentele beginsels wat gemeen is aan verskeie ander instrumentele tegnieke wat interaksies tussen elektronstrale en X-strale op monsters behels, insluitend radiografietegnieke soos SEM-EDS, diffraksie (XRD) en golflengte dispersiewe radiografie (mikrosonde WDS).
Die ontleding van die hoofspoorelemente in geologiese materiale deur XRF is moontlik as gevolg van die gedrag van atome wanneer hulle met straling in wisselwerking tree. Wanneer materiaalOpgewonde deur hoë-energie kortgolflengte bestraling (soos X-strale), kan hulle geïoniseer word. As daar genoeg stralingsenergie is om die binneste elektron wat styf vasgehou is te ontwrig, word die atoom onstabiel en die buitenste elektron vervang die ontbrekende binneste. Wanneer dit gebeur, word energie vrygestel as gevolg van die verminderde bindingsenergie van die binneste elektronorbitaal in vergelyking met die buitenste een. Die bestraling het 'n laer energie as die primêre invallende X-straal en word fluoresserend genoem.
Die XRF-spektrometer werk, want as 'n monster verlig word met 'n intense X-straalstraal, bekend as 'n invallende straal, word van die energie verstrooi, maar sommige word ook in die monster geabsorbeer, wat afhang van die chemiese samestelling.
XAS
X-straalabsorpsiespektroskopie (XAS) is die meting van oorgange van die grond elektroniese toestande van 'n metaal na opgewekte elektroniese toestande (LUMO) en kontinuum; eersgenoemde staan bekend as X-ray Absorption Near Structure (XANES) en laasgenoemde as X-ray Extended Absorption Fine Structure (EXAFS), wat die fyn struktuur van absorpsie bestudeer by energieë bo die elektronvrystellingsdrempel. Hierdie twee metodes verskaf addisionele strukturele inligting, XANES-spektra wat die elektroniese struktuur en simmetrie van die meta alterrein rapporteer, en EXAFS rapporteer getalle, tipes en afstande na ligande en naburige atome vanaf die absorberende element.
XAS stel ons in staat om die plaaslike struktuur van 'n element van belang te bestudeer sonder inmenging van absorpsie deur 'n proteïenmatriks, water of lug. X-straalspektroskopie van metalloënsieme was egter 'n uitdaging as gevolg van die klein relatiewe konsentrasie van die element van belang in die monster. In so 'n geval was die standaardbenadering om X-straalfluoressensie te gebruik om absorpsiespektra op te spoor in plaas van om die transmissie-opsporingsmodus te gebruik. Die ontwikkeling van derdegenerasie intense X-straalbronne van sinkrotronbestraling het dit ook moontlik gemaak om verdunde monsters te bestudeer.
Metaalkomplekse, as modelle met bekende strukture, was noodsaaklik om die XAS van metalloproteïene te verstaan. Hierdie komplekse verskaf die basis vir die evaluering van die invloed van die koördinasiemedium (koördinasielading) op die absorpsierandenergie. Die studie van struktureel goed gekarakteriseerde modelkomplekse bied ook 'n maatstaf vir die verstaan van EXAFS vanaf metaalstelsels met onbekende struktuur.
'n Beduidende voordeel van XAS bo X-straal-kristallografie is dat plaaslike strukturele inligting rondom 'n element van belang verkry kan word, selfs van wanordelike monsters soos poeiers en oplossing. Geordende monsters soos membrane en enkelkristalle verhoog egter dikwels die inligting wat van XAS verkry word. Vir georiënteerde enkelkristalle of geordende membrane kan interatomiese vektororiëntasies afgelei word uit metings van dichroïsme. Hierdie metodes is veral nuttig vir die bepaling van trosstrukture.polinukleêre metale soos die Mn4Ca-kluster wat geassosieer word met die oksidasie van water in die suurstofvrystellende fotosintetiese kompleks. Boonop kan taamlik klein veranderinge in geometrie/struktuur geassosieer met oorgange tussen intermediêre toestande, bekend as S-toestande, in die wateroksidasiereaksiesiklus maklik met XAS opgespoor word.
Aansoeke
X-straalspektroskopietegnieke word in baie velde van wetenskap gebruik, insluitend argeologie, antropologie, sterrekunde, chemie, geologie, ingenieurswese en openbare gesondheid. Met sy hulp kan jy verborge inligting oor antieke artefakte en oorblyfsels ontdek. Lee Sharp, medeprofessor in chemie aan Grinnell College in Iowa, en kollegas het byvoorbeeld XRF gebruik om die oorsprong van obsidiaan-pylpunte wat deur prehistoriese mense in die Noord-Amerikaanse Suidweste gemaak is, na te spoor.
Astrofisici, danksy X-straalspektroskopie, sal meer leer oor hoe voorwerpe in die ruimte werk. Navorsers aan die Washington Universiteit in St. Louis beplan byvoorbeeld om X-strale van kosmiese voorwerpe soos swart gate waar te neem om meer oor hul eienskappe te wete te kom.’n Span gelei deur Henryk Kravczynski,’n eksperimentele en teoretiese astrofisikus, beplan om’n X-straalspektrometer bekend te stel wat’n X-straalpolarimeter genoem word. Vanaf Desember 2018 is die instrument vir 'n lang tyd met 'n heliumgevulde ballon in die Aarde se atmosfeer gehang.
Yuri Gogotsi, chemikus en ingenieur,Drexel Universiteit van Pennsylvania skep gesputterde antennas en membrane vir ontsouting uit materiale wat deur X-straalspektroskopie ontleed is.
Onsigbare gesputterde antennas is net 'n paar tientalle nanometer dik, maar in staat om radiogolwe uit te stuur en te rig. Die XAS-tegniek help verseker dat die samestelling van die ongelooflike dun materiaal korrek is en help om geleiding te bepaal. "Antennas vereis hoë metaalgeleidingsvermoë om goed te werk, so ons moet die materiaal fyn dophou," het Gogotsi gesê.
Gogotzi en kollegas gebruik ook spektroskopie om die oppervlakchemie van komplekse membrane wat water ontsout deur spesifieke ione soos natrium uit te filter, te ontleed.
In medisyne
X-straalfoto-elektronspektroskopie vind toepassing in verskeie areas van anatomiese mediese navorsing en in die praktyk, byvoorbeeld, in moderne CT-skanderingmasjiene. Die versameling van X-straalabsorpsiespektra tydens 'n CT-skandering (met behulp van fotontelling of 'n spektrale skandeerder) kan meer gedetailleerde inligting verskaf en bepaal wat binne die liggaam gebeur, met laer bestralingsdosisse en minder of geen behoefte aan kontrasmateriale (kleurstowwe).
