Rentgeno spinduliai turi daug unikalių savybių kaip spinduliuotė, kurios viršija jų labai trumpą bangos ilgį. Viena iš jų svarbių savybių mokslui yra elementų selektyvumas. Atrinkdami ir ištyrę atskirų elementų, išsidėsčiusių unikaliose vietose sudėtingose molekulėse, spektrus, turime lokalizuotą „atominį jutiklį“. Ištyrę šiuos atomus skirtingu laiku po struktūros sužadinimo šviesa, galime atsekti elektroninių ir struktūrinių pokyčių raidą net labai sudėtingose sistemose, arba, kitaip tariant, galime sekti elektroną per molekulę ir per sąsajas.
Istorija
Rentgeno išradėjas buvo Wilhelmas Conradas Röntgenas. Kartą mokslininkas, tyrinėdamas įvairių medžiagų gebėjimą sustabdyti spindulius, iškrovimo metu padėjo nedidelį švino gabalėlį. TaigiTaigi Rentgenas bario platinocianido ekrane pamatė pirmąjį rentgeno vaizdą – savo mirgantį vaiduoklišką skeletą. Vėliau jis pranešė, kad būtent tuo metu jis nusprendė tęsti savo eksperimentus slapta, nes bijojo dėl savo profesinės reputacijos, jei jo pastebėjimai bus klaidingi. Vokiečių mokslininkas 1901 metais buvo apdovanotas pirmąja Nobelio fizikos premija už rentgeno spindulių atradimą 1895 metais. Pasak SLAC nacionalinės greitintuvo laboratorijos, jo naują technologiją greitai perėmė kiti mokslininkai ir gydytojai.
Charlesas Barkla, britų fizikas, 1906–1908 m. atliko tyrimus, kurių metu jis atrado, kad rentgeno spinduliai gali būti būdingi tam tikroms medžiagoms. Už savo darbą jis taip pat pelnė Nobelio fizikos premiją, bet tik 1917 m.
Rentgeno spektroskopija iš tikrųjų buvo pradėta naudoti šiek tiek anksčiau, 1912 m., pradedant britų fizikų Williamo Henry Braggo ir Williamo Lawrence'o Braggo tėvo ir sūnaus bendradarbiavimu. Jie naudojo spektroskopiją, norėdami ištirti rentgeno spindulių sąveiką su kristalų viduje esančiais atomais. Jų technika, vadinama rentgeno kristalografija, kitais metais tapo šios srities standartu, o 1915 m. jie gavo Nobelio fizikos premiją.
Veikia
Pastaraisiais metais rentgeno spindulių spektrometrija buvo naudojama įvairiais naujais ir įdomiais būdais. Marso paviršiuje yra rentgeno spektrometras, kuris renkainformacija apie elementus, sudarančius dirvožemį. Sijų galia buvo panaudota aptikti švino dažus ant žaislų, o tai sumažino apsinuodijimo švinu riziką. Mokslo ir meno partnerystę galima pastebėti naudojant radiografiją, kai ji naudojama muziejuose identifikuoti elementus, galinčius sugadinti kolekcijas.
Darbo principai
Kai atomas yra nestabilus arba bombarduojamas didelės energijos dalelių, jo elektronai šokinėja tarp energijos lygių. Kai elektronai prisitaiko, elementas sugeria ir išspinduliuoja didelės energijos rentgeno fotonus tokiu būdu, kuris būdingas atomams, kurie sudaro tą konkretų cheminį elementą. Rentgeno spindulių spektroskopijos būdu galima nustatyti energijos svyravimus. Tai leidžia identifikuoti daleles ir matyti atomų sąveiką įvairiose aplinkose.
Yra du pagrindiniai rentgeno spektroskopijos metodai: bangos ilgio dispersija (WDXS) ir energijos dispersija (EDXS). WDXS matuoja vieno bangos ilgio rentgeno spindulius, kurie yra difraktuojami ant kristalo. EDXS matuoja rentgeno spindulius, kuriuos skleidžia elektronai, stimuliuojami didelės energijos š altinio įkrautų dalelių.
Rentgeno spektroskopijos analizė taikant abu spinduliuotės pasiskirstymo metodus parodo medžiagos atominę struktūrą, taigi ir analizuojamo objekto elementus.
Radiografijos metodai
Yra keletas skirtingų elektroninio spektro rentgeno ir optinės spektroskopijos metodų, kurie naudojami daugelyje mokslo ir technologijų sričių,įskaitant archeologiją, astronomiją ir inžineriją. Šie metodai gali būti naudojami atskirai arba kartu, norint sukurti išsamesnį analizuojamos medžiagos ar objekto vaizdą.
WDXS
Rentgeno fotoelektroninė spektroskopija (WDXS) yra paviršiui jautrus kiekybinis spektroskopinis metodas, kuriuo matuojama elementų sudėtis įvairiose tiriamos medžiagos paviršiaus dalyse, taip pat nustatoma empirinė formulė, cheminė būsena ir elektroninė medžiagoje esančių elementų būsena. Paprasčiau tariant, WDXS yra naudingas matavimo metodas, nes parodo ne tik, kokios savybės yra filmo viduje, bet ir kokios savybės susidaro po apdorojimo.
Rentgeno spindulių spektrai gaunami apšvitinant medžiagą rentgeno spinduliu, tuo pačiu metu matuojant kinetinę energiją ir elektronų, išeinančių iš analizuojamos medžiagos viršutinio 0–10 nm, skaičių. WDXS reikia didelio vakuumo (P ~ 10–8 milibarai) arba itin didelio vakuumo (UHV; P <10–9 milibarai) sąlygų. Nors šiuo metu kuriamas WDXS esant atmosferos slėgiui, kuriame mėginiai analizuojami kelių dešimčių milibarų slėgyje.
ESCA (cheminės analizės rentgeno elektronų spektroskopija) yra Kai Siegbahno tyrimų grupės sukurtas akronimas, skirtas pabrėžti cheminę (ne tik elementinę) informaciją, kurią suteikia ši technika. Praktiškai naudojant tipinius laboratorinius š altiniusRentgeno spinduliai, XPS aptinka visus elementus, kurių atominis skaičius (Z) yra 3 (ličio) ir didesnis. Jis negali lengvai aptikti vandenilio (Z=1) arba helio (Z=2).
EDXS
Energijos dispersinė rentgeno spektroskopija (EDXS) yra cheminės mikroanalizės metodas, naudojamas kartu su skenuojančia elektronine mikroskopija (SEM). EDXS metodas aptinka rentgeno spindulius, kuriuos skleidžia mėginys, kai jis bombarduojamas elektronų pluoštu, kad apibūdintų analizuojamo tūrio elementinę sudėtį. Galima analizuoti net 1 µm elementus arba fazes.
Kai mėginys bombarduojamas SEM elektronų pluoštu, elektronai išmetami iš atomų, sudarančių mėginio paviršių. Susidariusios elektronų tuštumos užpildomos elektronais iš aukštesnės būsenos, o rentgeno spinduliai skleidžiami siekiant subalansuoti energijos skirtumą tarp dviejų elektronų būsenų. Rentgeno energija būdinga elementui, iš kurio ji buvo išspinduliuota.
EDXS rentgeno detektorius matuoja santykinį skleidžiamų spindulių kiekį, priklausomai nuo jų energijos. Detektorius paprastai yra silicio dreifo ličio kietojo kūno įrenginys. Kai krintantis rentgeno spindulys patenka į detektorių, jis sukuria krūvio impulsą, proporcingą rentgeno spindulio energijai. Įkrovos impulsas paverčiamas įtampos impulsu (kuris išlieka proporcingas rentgeno spindulių energijai), naudojant įkrovimui jautrų pirminį stiprintuvą. Tada signalas siunčiamas į daugiakanalią analizatorių, kuriame impulsai surūšiuojami pagal įtampą. Energija, nustatyta išmatuojant įtampą kiekvienam įvykusiam rentgeno spinduliui, siunčiama į kompiuterį, kad būtų galima parodyti ir toliau vertinti duomenis. Rentgeno spindulių energijos spektras, palyginti su skaičiumi, nustatomas siekiant nustatyti elementinę imties dydžio sudėtį.
XRF
Rentgeno spindulių fluorescencinė spektroskopija (XRF) naudojama įprastinei, santykinai neardomai cheminei uolienų, mineralų, nuosėdų ir skysčių analizei. Tačiau XRF paprastai negali analizuoti mažų dėmių dydžių (2–5 mikronai), todėl jis paprastai naudojamas masinei didelių geologinių medžiagų frakcijų analizei. Dėl santykinai lengvo ir mažo mėginio paruošimo kainos, taip pat dėl rentgeno spektrometrų stabilumo ir naudojimo paprastumo šis metodas yra vienas iš plačiausiai naudojamų pagrindinių mikroelementų uolienose, mineraluose ir nuosėdose analizei.
XRF XRF fizika priklauso nuo pagrindinių principų, bendrų keletui kitų instrumentinių metodų, susijusių su elektronų pluošto ir rentgeno spindulių sąveika mėginiuose, įskaitant radiografijos metodus, tokius kaip SEM-EDS, difrakcija (XRD) ir bangos ilgis. dispersinė rentgenografija (mikrozondas WDS).
Pagrindinių geologinių medžiagų mikroelementų analizė naudojant XRF įmanoma dėl atomų elgesio, kai jie sąveikauja su spinduliuote. Kai medžiagosSužadinti didelės energijos trumpųjų bangų spinduliuotės (pvz., Rentgeno spindulių), jie gali jonizuotis. Jei yra pakankamai spinduliuotės energijos, kad išstumtų tvirtai laikomą vidinį elektroną, atomas tampa nestabilus ir išorinis elektronas pakeičia trūkstamą vidinį elektroną. Kai taip atsitinka, energija išsiskiria dėl sumažėjusios vidinės elektronų orbitalės surišimo energijos, palyginti su išorine. Spinduliuotė turi mažesnę energiją nei pirminės krintančios rentgeno spinduliuotės ir vadinama fluorescencine.
XRF spektrometras veikia, nes jei mėginys apšviečiamas intensyviu rentgeno spinduliu, vadinamu krintančiu spinduliu, dalis energijos išsklaido, bet dalis taip pat absorbuojama mėginyje, o tai priklauso nuo jo cheminės medžiagos. kompozicija.
XAS
Rentgeno spindulių sugerties spektroskopija (XAS) – tai perėjimų iš metalo elektroninių būsenų į sužadintos elektronines būsenas (LUMO) ir kontinuumo matavimas; pirmoji žinoma kaip rentgeno spindulių sugerties artima struktūra (XANES), o antroji kaip rentgeno spinduliuotės išplėstinė absorbcijos smulkioji struktūra (EXAFS), kuri tiria smulkiąją absorbcijos struktūrą, kai energija viršija elektronų išsiskyrimo slenkstį. Šie du metodai suteikia papildomos struktūrinės informacijos: XANES spektrai praneša apie metalo vietos elektroninę struktūrą ir simetriją, o EXAFS praneša skaičius, tipus ir atstumus iki ligandų ir gretimų atomų nuo sugeriančiojo elemento.
XAS leidžia tyrinėti vietinę dominančio elemento struktūrą be b altymų matricos, vandens ar oro absorbcijos trukdžių. Tačiau metalofermentų rentgeno spektroskopija buvo iššūkis dėl mažos santykinės dominančio elemento koncentracijos mėginyje. Tokiu atveju standartinis metodas buvo naudoti rentgeno fluorescenciją absorbcijos spektrams aptikti, o ne naudoti perdavimo aptikimo režimą. Trečiosios kartos intensyvių sinchrotroninės spinduliuotės rentgeno spindulių š altinių kūrimas taip pat leido tirti atskiestus mėginius.
Metalų kompleksai, kaip žinomos struktūros modeliai, buvo būtini norint suprasti metaloproteinų XAS. Šie kompleksai suteikia pagrindą įvertinti koordinacinės terpės (koordinavimo krūvio) įtaką sugerties krašto energijai. Struktūriškai gerai apibūdintų modelių kompleksų tyrimas taip pat yra etalonas, kaip suprasti EXAFS iš nežinomos struktūros metalinių sistemų.
Reikšmingas XAS pranašumas, palyginti su rentgeno kristalografija, yra tas, kad vietinę struktūrinę informaciją apie dominantį elementą galima gauti net iš netvarkingų mėginių, tokių kaip milteliai ir tirpalas. Tačiau užsakyti mėginiai, tokie kaip membranos ir pavieniai kristalai, dažnai padidina XAS gautą informaciją. Orientuotų pavienių kristalų arba sutvarkytų membranų atveju interatominės vektoriaus orientacijos gali būti numanomos iš dichroizmo matavimų. Šie metodai ypač naudingi nustatant klasterių struktūras.daugiabranduoliniai metalai, tokie kaip Mn4Ca klasteris, susijęs su vandens oksidacija deguonį išskiriančiame fotosintezės komplekse. Be to, gana nedideli geometrijos/struktūros pokyčiai, susiję su perėjimais tarp tarpinių būsenų, vadinamų S būsenomis, vandens oksidacijos reakcijos cikle gali būti lengvai aptikti naudojant XAS.
Programos
Rentgeno spindulių spektroskopijos metodai naudojami daugelyje mokslo sričių, įskaitant archeologiją, antropologiją, astronomiją, chemiją, geologiją, inžineriją ir visuomenės sveikatą. Su jo pagalba galite atrasti paslėptą informaciją apie senovės artefaktus ir liekanas. Pavyzdžiui, Grinnell koledžo Ajovoje chemijos docentas Lee Sharpas ir jo kolegos naudojo XRF, kad atsektų obsidiano strėlių antgalių, pagamintų priešistorinių žmonių Šiaurės Amerikos pietvakariuose, kilmę.
Astrofizikai rentgeno spektroskopijos dėka sužinos daugiau apie tai, kaip veikia kosmose esantys objektai. Pavyzdžiui, Vašingtono universiteto Sent Luise mokslininkai planuoja stebėti rentgeno spindulius iš kosminių objektų, tokių kaip juodosios skylės, kad sužinotų daugiau apie jų savybes. Eksperimentinio ir teorinio astrofiziko Henryko Kravczynskio vadovaujama komanda planuoja išleisti rentgeno spektrometrą, vadinamą rentgeno poliarimetru. Nuo 2018 m. gruodžio mėn. instrumentas ilgą laiką buvo pakabintas Žemės atmosferoje su heliu užpildytu balionu.
Jurijus Gogotsi, chemikas ir inžinierius,Pensilvanijos Drexel universitetas sukuria purškiamas antenas ir membranas gėlinimui iš medžiagų, ištirtų rentgeno spindulių spektroskopija.
Nematomos purškiamos antenos yra tik kelių dešimčių nanometrų storio, tačiau gali perduoti ir nukreipti radijo bangas. XAS technika padeda užtikrinti, kad neįtikėtinai plonos medžiagos sudėtis būtų teisinga, ir padeda nustatyti laidumą. „Kad antenos gerai veiktų, reikalingas didelis metalo laidumas, todėl turime atidžiai stebėti medžiagą“, – sakė Gogotsi.
Gogotzi ir jo kolegos taip pat naudoja spektroskopiją sudėtingų membranų, kurios gėlina vandenį filtruodamos specifinius jonus, pvz., natrio, paviršiaus chemiją.
Medicinoje
Rentgeno fotoelektroninė spektroskopija pritaikoma keliose anatominių medicinos tyrimų srityse ir praktikoje, pavyzdžiui, šiuolaikiniuose kompiuterinės tomografijos aparatuose. Rentgeno spindulių sugerties spektrus kompiuterinės tomografijos metu (naudojant fotonų skaičiavimą arba spektrinį skaitytuvą) galima gauti išsamesnės informacijos ir nustatyti, kas vyksta kūno viduje, naudojant mažesnes radiacijos dozes ir mažiau arba visai nereikia kontrastinių medžiagų (dažių).
