X-ışınları, radyasyon olarak çok kısa dalga boylarının ötesine geçen bir dizi benzersiz özelliğe sahiptir. Bilim için önemli özelliklerinden biri de elementel seçiciliktir. Karmaşık moleküllerde benzersiz yerlerde bulunan bireysel elementlerin spektrumlarını seçip inceleyerek, lokalize bir "atomik sensöre" sahibiz. Yapının ışıkla uyarılmasından sonra farklı zamanlarda bu atomları inceleyerek çok karmaşık sistemlerde bile elektronik ve yapısal değişikliklerin gelişimini izleyebilir veya başka bir deyişle elektronu molekül ve arayüzler aracılığıyla takip edebiliriz.
Tarih
Radyografinin mucidi Wilhelm Conrad Röntgen'di. Bir keresinde, bir bilim adamı çeşitli malzemelerin ışınları durdurma kabiliyetini araştırırken, bir deşarj meydana gelirken yerine küçük bir kurşun parçası yerleştirdi. BöyleBöylece, Röntgen ilk röntgen görüntüsünü, kendi parıldayan hayaletimsi iskeletini bir baryum platinosiyanür ekranında gördü. Daha sonra, bu noktada, gözlemlerinin hatalı olması durumunda mesleki itibarından korktuğu için deneylerine gizlice devam etmeye karar verdiğini bildirdi. Alman bilim adamı, 1895'te X-ışınlarını keşfettiği için 1901'de ilk Nobel Fizik Ödülü'nü aldı. SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı'na göre, yeni teknolojisi diğer bilim adamları ve doktorlar tarafından hızla benimsendi.
Charles Barkla, İngiliz fizikçi, 1906 ve 1908 yılları arasında, X-ışınlarının belirli maddelerin özelliği olabileceğini keşfetmesine yol açan bir araştırma yaptı. Çalışmaları ona aynı zamanda Nobel Fizik Ödülü'nü kazandırdı, ancak bu sadece 1917'de.
X-ışını spektroskopisinin kullanımı aslında biraz daha erken, 1912'de İngiliz fizikçilerin baba ve oğlu William Henry Bragg ve William Lawrence Bragg arasındaki işbirliğiyle başladı. X-ışınlarının kristallerin içindeki atomlarla etkileşimini incelemek için spektroskopi kullandılar. X-ışını kristalografisi adı verilen teknikleri, ertesi yıl bu alanda standart haline geldi ve 1915'te Nobel Fizik Ödülü'nü aldılar.
İşte
Son yıllarda, X-ışını spektrometrisi çeşitli yeni ve heyecan verici şekillerde kullanıldı. Mars yüzeyinde toplayan bir X-ışını spektrometresi var. Toprağı oluşturan elementler hakkında bilgi. Kirişlerin gücü, oyuncaklardaki kurşun boyayı tespit etmek için kullanıldı ve bu da kurşun zehirlenmesi riskini az alttı. Bilim ve sanat arasındaki ortaklık, müzelerde koleksiyonlara zarar verebilecek unsurları belirlemek için kullanıldığında radyografi kullanımında görülebilir.
Çalışma ilkeleri
Bir atom kararsız olduğunda veya yüksek enerjili parçacıklar tarafından bombardımana tutulduğunda, elektronları enerji seviyeleri arasında atlar. Elektronlar ayarlandıkça, element, o kimyasal elementi oluşturan atomların karakteristiği olan bir tarzda yüksek enerjili X-ışını fotonlarını emer ve yayar. X-ışını spektroskopisi ile enerjideki dalgalanmalar belirlenebilir. Bu, parçacıkları tanımlamanıza ve çeşitli ortamlarda atomların etkileşimini görmenize olanak tanır.
X-ışını spektroskopisinin iki ana yöntemi vardır: dalga boyu dağılımlı (WDXS) ve enerji dağılımlı (EDXS). WDXS, bir kristal üzerinde kırınıma uğrayan tek dalga boyundaki X-ışınlarını ölçer. EDXS, yüksek enerjili yüklü parçacıklar kaynağı tarafından uyarılan elektronların yaydığı X ışınlarını ölçer.
Radyasyon dağılımının her iki yönteminde de X-ışını spektroskopisinin analizi, malzemenin atomik yapısını ve dolayısıyla analiz edilen nesne içindeki elementleri gösterir.
Radyografik teknikler
Bilim ve teknolojinin birçok alanında kullanılan elektronik spektrumun X-ışını ve optik spektroskopisinin birkaç farklı yöntemi vardır.arkeoloji, astronomi ve mühendislik dahil. Bu yöntemler, analiz edilen materyalin veya nesnenin daha eksiksiz bir resmini oluşturmak için bağımsız olarak veya birlikte kullanılabilir.
WDXS
X-ışını fotoelektron spektroskopisi (WDXS), incelenen malzemenin yüzeyindeki bir dizi parçadaki element bileşimini ölçen ve ayrıca ampirik formülü, kimyasal durumu ve kimyasal durumu belirleyen yüzeye duyarlı nicel spektroskopik bir yöntemdir. malzemede bulunan elementlerin elektronik durumu. Basitçe söylemek gerekirse, WDXS kullanışlı bir ölçüm yöntemidir çünkü sadece filmin içinde hangi özelliklerin olduğunu değil, aynı zamanda işlendikten sonra hangi özelliklerin oluştuğunu da gösterir.
X-ışını spektrumları, bir malzemeyi bir X-ışını ışını ile ışınlarken aynı anda kinetik enerjiyi ve analiz edilen malzemenin üst 0-10 nm'sinden çıkan elektron sayısını ölçerek elde edilir. WDXS, yüksek vakum (P ~ 10-8 milibar) veya ultra yüksek vakum (UHV; P <10-9 milibar) koşulları gerektirir. Numunelerin onlarca milibarlık basınçlarda analiz edildiği atmosferik basınçta WDXS şu anda geliştiriliyor olsa da.
ESCA (Kimyasal Analiz için X-ışını Elektron Spektroskopisi), tekniğin sağladığı kimyasal (sadece temel değil) bilgileri vurgulamak için Kai Siegbahn'ın araştırma ekibi tarafından icat edilen bir kıs altmadır. Uygulamada, tipik laboratuvar kaynakları kullanılarakX-ışınları, XPS atom numarası (Z) 3 (lityum) ve üzeri olan tüm elementleri algılar. Hidrojeni (Z=1) veya helyumu (Z=2) kolayca tespit edemez.
EDXS
Enerji Dağılımlı X-Işını Spektroskopisi (EDXS), taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile birlikte kullanılan bir kimyasal mikroanaliz tekniğidir. EDXS yöntemi, analiz edilen hacmin elementel bileşimini karakterize etmek için bir elektron ışını ile bombardıman edildiğinde bir numune tarafından yayılan X-ışınlarını tespit eder. 1 µm kadar küçük elementler veya fazlar analiz edilebilir.
Bir numune bir SEM elektron ışını ile bombardıman edildiğinde, numunenin yüzeyini oluşturan atomlardan elektronlar fırlatılır. Ortaya çıkan elektron boşlukları, daha yüksek bir durumdan elektronlarla doldurulur ve iki elektronun durumları arasındaki enerji farkını dengelemek için X-ışınları yayılır. X-ışını enerjisi, yayıldığı elementin özelliğidir.
EDXS x-ray dedektörü, yayılan ışınların enerjisine bağlı olarak göreli miktarını ölçer. Dedektör genellikle bir silikon sürüklenme lityum katı hal cihazıdır. Gelen bir X-ışını ışını bir dedektöre çarptığında, X-ışınının enerjisiyle orantılı bir şarj darbesi oluşturur. Yük darbesi, yüke duyarlı bir ön yükseltici aracılığıyla (X-ışını enerjisiyle orantılı kalan) bir voltaj darbesine dönüştürülür. Sinyal daha sonra darbelerin voltaja göre sıralandığı çok kanallı bir analiz cihazına gönderilir. Her olay röntgeni için voltaj ölçümünden belirlenen enerji, verilerin görüntülenmesi ve daha fazla değerlendirilmesi için bir bilgisayara gönderilir. Sayıma karşı X-ışını enerji tayfı, numune boyutunun elementel bileşimini belirlemek için tahmin edilir.
XRF
X-ışını floresan spektroskopisi (XRF) kayaların, minerallerin, tortuların ve sıvıların rutin, nispeten tahribatsız kimyasal analizi için kullanılır. Bununla birlikte, XRF tipik olarak küçük nokta boyutlarında (2-5 mikron) analiz yapamaz, bu nedenle tipik olarak büyük jeolojik malzeme fraksiyonlarının toplu analizi için kullanılır. Numune hazırlamanın göreceli kolaylığı ve düşük maliyetinin yanı sıra X-ışını spektrometrelerinin stabilitesi ve kullanım kolaylığı, bu yöntemi kayalar, mineraller ve tortulardaki ana eser elementlerin analizi için en yaygın kullanılanlardan biri haline getirir.
XRF XRF'nin fiziği, SEM-EDS, kırınım (XRD) ve dalga boyu gibi radyografi teknikleri dahil olmak üzere elektron ışınları ve numuneler üzerindeki X ışınları arasındaki etkileşimleri içeren diğer birkaç enstrümantal teknikte ortak olan temel ilkelere bağlıdır. dispersif radyografi (mikroprob WDS).
Jeolojik malzemelerdeki ana eser elementlerin XRF ile analizi, atomların radyasyonla etkileşime girdiğinde davranışları nedeniyle mümkündür. MalzemelerYüksek enerjili kısa dalga boylu radyasyon (X-ışınları gibi) tarafından heyecanlanarak iyonize hale gelebilirler. Sıkıca tutulan iç elektronu yerinden çıkarmak için yeterli radyasyon enerjisi varsa, atom kararsız hale gelir ve dış elektron eksik iç elektronun yerini alır. Bu olduğunda, iç elektron yörüngesinin dış yörüngeye kıyasla az altılmış bağlanma enerjisi nedeniyle enerji açığa çıkar. Radyasyonun birincil gelen X-ışınından daha düşük bir enerjisi vardır ve buna floresan denir.
XRF spektrometresi çalışır, çünkü bir numune gelen ışın olarak bilinen yoğun bir X-ışını ışını ile aydınlatılırsa, enerjinin bir kısmı saçılır, ancak kimyasalına bağlı olarak bir kısmı da numunede emilir. kompozisyon.
XAS
X-ışını absorpsiyon spektroskopisi (XAS), bir metalin temel elektronik durumlarından uyarılmış elektronik durumlara (LUMO) ve sürekliliğe geçişlerin ölçümüdür; ilki, X-ışını Soğurma Yakın Yapısı (XANES) ve ikincisi, elektron salma eşiğinin üzerindeki enerjilerde soğurmanın ince yapısını inceleyen X-ışını Genişletilmiş Soğurma İnce Yapısı (EXAFS) olarak bilinir. Bu iki yöntem, ek yapısal bilgiler, metal sitenin elektronik yapısını ve simetrisini bildiren XANES spektrumları ve soğurma elemanından ligandlara ve komşu atomlara ilişkin sayıları, türleri ve mesafeleri bildiren EXAFS sağlar.
XAS, bir protein matrisi, su veya hava tarafından absorpsiyondan etkilenmeden ilgilenilen bir elementin yerel yapısını incelememizi sağlar. Bununla birlikte, metalloenzimlerin X-ışını spektroskopisi, numunedeki ilgilenilen elementin nispi konsantrasyonunun küçük olması nedeniyle zor olmuştur. Böyle bir durumda, standart yaklaşım, iletim algılama modunu kullanmak yerine absorpsiyon spektrumlarını saptamak için X-ışını floresansını kullanmaktı. Senkrotron radyasyonunun üçüncü nesil yoğun X-ışını kaynaklarının geliştirilmesi de seyreltik numunelerin çalışılmasını mümkün kılmıştır.
Bilinen yapılara sahip modeller olarak metal kompleksleri, metalloproteinlerin XAS'ını anlamak için gerekliydi. Bu kompleksler, koordinasyon ortamının (koordinasyon yükü) absorpsiyon kenarı enerjisi üzerindeki etkisini değerlendirmek için temel sağlar. Yapısal olarak iyi karakterize edilmiş model komplekslerinin incelenmesi, aynı zamanda, bilinmeyen yapıya sahip metalik sistemlerden EXAFS'yi anlamak için bir kıyaslama sağlar.
XAS'ın X-ışını kristalografisine göre önemli bir avantajı, tozlar ve çözelti gibi düzensiz örneklerden bile ilgilenilen bir öğe etrafındaki yerel yapısal bilgilerin elde edilebilmesidir. Ancak, membranlar ve tek kristaller gibi sıralı numuneler genellikle XAS'tan elde edilen bilgileri arttırır. Yönlendirilmiş tek kristaller veya sıralı zarlar için, atomlar arası vektör yönelimleri dikroizm ölçümlerinden çıkarılabilir. Bu yöntemler özellikle küme yapılarını belirlemek için kullanışlıdır.oksijen salan fotosentetik komplekste suyun oksidasyonu ile ilişkili Mn4Ca kümesi gibi polinükleer metaller. Ayrıca, su oksidasyon reaksiyon döngüsünde S-durumları olarak bilinen ara durumlar arasındaki geçişlerle ilişkili geometri/yapıdaki oldukça küçük değişiklikler XAS kullanılarak kolayca tespit edilebilir.
Uygulamalar
X-ışını spektroskopisi teknikleri arkeoloji, antropoloji, astronomi, kimya, jeoloji, mühendislik ve halk sağlığı dahil olmak üzere bilimin birçok alanında kullanılmaktadır. Onun yardımıyla antik eserler ve kalıntılar hakkında gizli bilgileri keşfedebilirsiniz. Örneğin, Iowa'daki Grinnell College'da kimya profesörü olan Lee Sharp ve meslektaşları, Kuzey Amerika'nın güneybatısındaki tarih öncesi insanlar tarafından yapılan obsidyen ok uçlarının kökenini izlemek için XRF'yi kullandılar.
Astrofizikçiler, X-ışını spektroskopisi sayesinde uzaydaki nesnelerin nasıl çalıştığı hakkında daha fazla bilgi edinecekler. Örneğin, St. Louis'deki Washington Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, özellikleri hakkında daha fazla bilgi edinmek için kara delikler gibi kozmik nesnelerden X-ışınlarını gözlemlemeyi planlıyorlar. Deneysel ve teorik bir astrofizikçi olan Henryk Kravczynski liderliğindeki bir ekip, X-ışını polarimetresi adı verilen bir X-ışını spektrometresini piyasaya sürmeyi planlıyor. Aralık 2018'den itibaren cihaz, uzun bir süre helyum dolu bir balonla Dünya atmosferinde asılı kaldı.
Yuri Gogotsi, kimyager ve mühendis,Drexel University of Pennsylvania, X-ışını spektroskopisi ile analiz edilen malzemelerden tuzdan arındırma için püskürtmeli antenler ve membranlar üretiyor.
Görünmez saçılmış antenler yalnızca birkaç on nanometre kalınlığındadır, ancak radyo dalgalarını iletebilir ve yönlendirebilir. XAS tekniği, inanılmaz derecede ince malzemenin bileşiminin doğru olmasını sağlamaya yardımcı olur ve iletkenliği belirlemeye yardımcı olur. Gogotsi, "Antenlerin iyi çalışması için yüksek metalik iletkenlik gerekir, bu yüzden malzemeyi yakından takip etmeliyiz," dedi.
Gogotzi ve meslektaşları ayrıca sodyum gibi belirli iyonları filtreleyerek suyu tuzdan arındıran karmaşık zarların yüzey kimyasını analiz etmek için spektroskopi kullanıyorlar.
Tıpta
X-ışını fotoelektron spektroskopisi, anatomik tıbbi araştırmaların çeşitli alanlarında ve pratikte, örneğin modern CT tarama makinelerinde uygulama bulur. Bir BT taraması sırasında (foton sayımı veya bir spektral tarayıcı kullanarak) X-ışını absorpsiyon spektrumlarını toplamak, daha ayrıntılı bilgi sağlayabilir ve daha düşük radyasyon dozlarıyla ve kontrast maddelere (boyalara) daha az veya hiç ihtiyaç duymadan vücutta neler olduğunu belirleyebilir.
