Rentgen şüaları çox qısa dalğa uzunluğundan kənara çıxan radiasiya kimi bir sıra unikal xüsusiyyətlərə malikdir. Onların elm üçün vacib xüsusiyyətlərindən biri elementar seçicilikdir. Mürəkkəb molekullarda unikal yerlərdə yerləşən ayrı-ayrı elementlərin spektrlərini seçib tədqiq etməklə biz lokallaşdırılmış “atom sensoru” əldə edirik. Strukturun işıqla həyəcanlanmasından sonra müxtəlif vaxtlarda bu atomları tədqiq etməklə, çox mürəkkəb sistemlərdə belə elektron və struktur dəyişikliklərinin inkişafını izləyə bilərik və ya başqa sözlə, elektronu molekuldan və interfeyslərdən izləyə bilərik.
Tarix
Rentgenoqrafiyanın ixtiraçısı Vilhelm Konrad Röntgen olmuşdur. Bir dəfə, bir alim müxtəlif materialların şüaları dayandırma qabiliyyətini araşdırarkən, boşalma baş verən zaman kiçik bir qurğuşun parçası yerləşdirdi. Belə kiBeləliklə, Rentgen barium platinosianid ekranında ilk rentgen şəklini, özünün parıldayan kabus kimi skeletini gördü. Daha sonra bildirdi ki, müşahidələri səhv olarsa, peşəkar reputasiyasından qorxduğu üçün təcrübələrini gizli şəkildə davam etdirmək qərarına gəlib. Alman alimi 1895-ci ildə rentgen şüalarının kəşfinə görə fizika üzrə ilk Nobel mükafatına 1901-ci ildə layiq görülüb. SLAC Milli Sürətləndirici Laboratoriyasına görə, onun yeni texnologiyası digər elm adamları və həkimlər tərəfindən tez mənimsənildi.
Britaniyalı fiziki Çarlz Barkla 1906-1908-ci illər arasında apardığı araşdırma nəticəsində rentgen şüalarının müəyyən maddələr üçün xarakterik ola biləcəyini kəşf etdi. Onun işi həm də ona Fizika üzrə Nobel Mükafatını qazandırdı, lakin yalnız 1917-ci ildə.
Rentgen spektroskopiyasının istifadəsi əslində bir qədər əvvəl, 1912-ci ildə İngilis fizikləri Uilyam Henri Braqq və Uilyam Lourens Braqqın ata və oğlunun əməkdaşlığı ilə başlamışdır. X-şüalarının kristalların içərisindəki atomlarla qarşılıqlı təsirini öyrənmək üçün spektroskopiyadan istifadə etdilər. Onların rentgen kristalloqrafiyası adlanan texnikası gələn il bu sahədə standart oldu və onlar 1915-ci ildə Fizika üzrə Nobel Mükafatını aldılar.
Hərəkətdə
Son illərdə rentgen spektrometriyası müxtəlif yeni və maraqlı üsullarla istifadə edilmişdir. Marsın səthində toplayan rentgen spektrometri vartorpağı təşkil edən elementlər haqqında məlumat. Şüaların gücü oyuncaqlar üzərində qurğuşun boyasını aşkar etmək üçün istifadə edilib ki, bu da qurğuşun zəhərlənməsi riskini azaldır. Muzeylərdə kolleksiyalara zərər verə biləcək elementləri müəyyən etmək üçün istifadə edildikdə, elmin və incəsənətin tərəfdaşlığı rentgenoqrafiyanın istifadəsində görünür.
İş prinsipləri
Atom qeyri-sabit olduqda və ya yüksək enerjili hissəciklər tərəfindən bombalandıqda, onun elektronları enerji səviyyələri arasında sıçrayır. Elektronlar uyğunlaşdıqca, element həmin kimyəvi elementi təşkil edən atomlara xas olan şəkildə yüksək enerjili rentgen fotonlarını udur və yayır. X-şüaları spektroskopiyası ilə enerjidəki dalğalanmalar müəyyən edilə bilər. Bu, hissəcikləri müəyyən etməyə və müxtəlif mühitlərdə atomların qarşılıqlı təsirini görməyə imkan verir.
X-şüaları spektroskopiyasının iki əsas üsulu var: dalğa boyu dispersiv (WDXS) və enerji dispersiv (EDXS). WDXS kristalda difraksiyaya məruz qalan tək dalğa uzunluqlu rentgen şüalarını ölçür. EDXS yüksək enerjili yüklü hissəciklər mənbəyi tərəfindən stimullaşdırılan elektronlar tərəfindən yayılan rentgen şüalarını ölçür.
Rentgen spektroskopiyasının hər iki radiasiya paylanması metodunda təhlili materialın atom quruluşunu və deməli, təhlil edilən obyektin daxilindəki elementləri göstərir.
Radioqrafik üsullar
Elm və texnologiyanın bir çox sahələrində istifadə olunan elektron spektrin rentgen və optik spektroskopiyasının bir neçə müxtəlif üsulları vardır.arxeologiya, astronomiya və mühəndislik daxil olmaqla. Bu üsullar təhlil edilən material və ya obyektin daha dolğun təsvirini yaratmaq üçün müstəqil və ya birlikdə istifadə edilə bilər.
WDXS
Rentgen fotoelektron spektroskopiyası (WDXS) tədqiq olunan materialın səthində bir sıra hissələrdə elementar tərkibini ölçən, həmçinin empirik formulunu, kimyəvi vəziyyətini və materialda mövcud olan elementlərin elektron vəziyyəti. Sadəcə olaraq, WDXS faydalı ölçmə üsuludur, çünki o, təkcə filmin içərisində hansı xüsusiyyətlərin olduğunu deyil, həm də emaldan sonra hansı xüsusiyyətlərin formalaşdığını göstərir.
Rentgen spektrləri materialın rentgen şüası ilə şüalanması və eyni zamanda kinetik enerjinin və təhlil edilən materialın yuxarı 0-10 nm-dən çıxan elektronların sayının ölçülməsi yolu ilə əldə edilir. WDXS yüksək vakuum (P ~ 10-8 millibar) və ya ultra yüksək vakuum (UHV; P <10-9 millibar) şərtlərini tələb edir. Nümunələrin bir neçə onlarla millibar təzyiqdə təhlil edildiyi atmosfer təzyiqində WDXS hazırda hazırlansa da.
ESCA (Kimyəvi Analiz üçün X-ray Elektron Spektroskopiyası) texnikanın təmin etdiyi kimyəvi (yalnız elementar deyil) məlumatı vurğulamaq üçün Kai Siegbahn-ın tədqiqat qrupu tərəfindən yaradılmış qıs altmadır. Praktikada tipik laboratoriya mənbələrindən istifadə etməkləX-şüaları, XPS atom nömrəsi (Z) 3 (litium) və daha yüksək olan bütün elementləri aşkar edir. O, hidrogeni (Z=1) və ya heliumu (Z=2) asanlıqla aşkar edə bilmir.
EDXS
Enerji Dispersiv X-Ray Spektroskopiyası (EDXS) skan edən elektron mikroskopiya (SEM) ilə birlikdə istifadə edilən kimyəvi mikroanaliz texnikasıdır. EDXS metodu təhlil edilən həcmin elementar tərkibini xarakterizə etmək üçün elektron şüa ilə bombardman edildikdə nümunənin buraxdığı rentgen şüalarını aşkar edir. 1 µm kimi kiçik elementlər və ya fazalar təhlil edilə bilər.
Nümunə SEM elektron şüası ilə bombardman edildikdə, elektronlar nümunənin səthini təşkil edən atomlardan atılır. Nəticədə yaranan elektron boşluqları daha yüksək vəziyyətdə olan elektronlarla doldurulur və iki elektronun vəziyyəti arasındakı enerji fərqini tarazlaşdırmaq üçün rentgen şüaları yayılır. Rentgen enerjisi onun buraxıldığı element üçün xarakterikdir.
EDXS rentgen detektoru enerjisindən asılı olaraq yayılan şüaların nisbi miqdarını ölçür. Detektor adətən silikon drift litium bərk hal cihazıdır. İnsident rentgen şüası detektora dəydikdə, rentgen şüasının enerjisinə mütənasib bir yük impulsu yaradır. Doldurma impulsu, yükə həssas olan bir gücləndirici vasitəsi ilə gərginlik impulsuna çevrilir (bu, rentgen enerjisi ilə mütənasib olaraq qalır). Daha sonra siqnal impulsların gərginliyə görə çeşidləndiyi çoxkanallı analizatora göndərilir. Hər bir hadisə rentgen şüası üçün gərginliyin ölçülməsindən müəyyən edilən enerji məlumatların göstərilməsi və sonrakı qiymətləndirilməsi üçün kompüterə göndərilir. Nümunə ölçüsünün elementar tərkibini müəyyən etmək üçün rentgen şüalarının enerji spektri hesablanır.
XRF
Rentgen-flüoresan spektroskopiyası (XRF) süxurların, mineralların, çöküntülərin və mayelərin adi, nisbətən dağıdıcı olmayan kimyəvi analizi üçün istifadə olunur. Bununla belə, XRF adətən kiçik ləkə ölçülərində (2-5 mikron) analiz edə bilmir, ona görə də adətən geoloji materialların böyük fraksiyalarının toplu analizi üçün istifadə olunur. Nümunələrin hazırlanmasının nisbi asanlığı və aşağı qiyməti, həmçinin rentgen spektrometrlərinin sabitliyi və istifadəsi asanlığı bu üsulu süxurlarda, minerallarda və çöküntülərdə əsas iz elementlərinin təhlili üçün ən geniş istifadə olunan üsullardan birinə çevirir.
XRF XRF fizikası SEM-EDS, difraksiya (XRD) və dalğa uzunluğu kimi radioqrafiya üsulları da daxil olmaqla nümunələrdə elektron şüaları və rentgen şüaları arasında qarşılıqlı əlaqəni əhatə edən bir sıra digər instrumental texnikalar üçün ümumi olan fundamental prinsiplərdən asılıdır. dispersiv rentgenoqrafiya (mikroprob WDS).
Geoloji materiallardakı əsas iz elementlərinin XRF üsulu ilə təhlili atomların radiasiya ilə qarşılıqlı əlaqəsi zamanı onların davranışına görə mümkündür. Materiallar olduqdaYüksək enerjili qısa dalğalı radiasiya (məsələn, rentgen şüaları) ilə həyəcanlanaraq ionlaşa bilərlər. Sıx tutulan daxili elektronu çıxarmaq üçün kifayət qədər radiasiya enerjisi varsa, atom qeyri-sabit olur və xarici elektron itkin daxili elektronu əvəz edir. Bu baş verdikdə, daxili elektron orbitalının xarici ilə müqayisədə azaldılmış bağlanma enerjisi səbəbindən enerji sərbəst buraxılır. Radiasiya ilkin rentgen şüasından daha az enerjiyə malikdir və flüoresan adlanır.
XRF spektrometri işləyir, çünki nümunə gələn şüa kimi tanınan intensiv rentgen şüası ilə işıqlandırılarsa, enerjinin bir hissəsi səpələnir, lakin bir hissəsi də nümunədə udulur, bu da onun kimyəvi tərkibindən asılıdır. kompozisiya.
XAS
X-şüalarının absorbsiya spektroskopiyası (XAS) metalın yer elektron vəziyyətindən həyəcanlı elektron vəziyyətə (LUMO) və kontinuuma keçidin ölçülməsidir; birincisi X-şüalarının Absorbsiyasının Yaxın Strukturu (XANES), ikincisi isə elektronların buraxılma həddinin üstündəki enerjilərdə udulmanın incə strukturunu öyrənən X-ray Genişləndirilmiş Absorbsiya İncə Quruluşu (EXAFS) kimi tanınır. Bu iki üsul əlavə struktur məlumatı, metal sahəsinin elektron strukturu və simmetriyasını bildirən XANES spektrləri və uducu elementdən gələn ligandlara və qonşu atomlara EXAFS hesabat nömrələrini, növlərini və məsafələrini təqdim edir.
XAS bizə bir zülal matrisi, su və ya hava tərəfindən udulmasına müdaxilə etmədən maraqlı elementin yerli strukturunu öyrənməyə imkan verir. Bununla belə, nümunədə maraq elementinin kiçik nisbi konsentrasiyası səbəbindən metalloenzimlərin rentgen spektroskopiyası problem olmuşdur. Belə bir vəziyyətdə, standart yanaşma ötürmə aşkarlama rejimindən istifadə etmək əvəzinə, udulma spektrlərini aşkar etmək üçün rentgen floresansından istifadə etmək idi. Sinxrotron şüalanmasının üçüncü nəsil intensiv rentgen mənbələrinin inkişafı həm də seyreltilmiş nümunələri öyrənməyə imkan verdi.
Məlum strukturları olan modellər kimi metal kompleksləri metalloproteinlərin XAS-ını anlamaq üçün vacib idi. Bu komplekslər koordinasiya mühitinin (koordinasiya yükü) udma kənarının enerjisinə təsirini qiymətləndirmək üçün əsas verir. Struktur cəhətdən yaxşı xarakterizə edilən model komplekslərinin tədqiqi həmçinin naməlum strukturun metal sistemlərindən EXAFS-ni başa düşmək üçün bir meyar təmin edir.
XAS-ın rentgen kristalloqrafiyasına nisbətən əhəmiyyətli üstünlüyü ondan ibarətdir ki, maraqlı element ətrafında yerli struktur məlumatı hətta tozlar və məhlul kimi nizamsız nümunələrdən də əldə edilə bilər. Bununla belə, membranlar və monokristallar kimi sifarişli nümunələr XAS-dan alınan məlumatları çox vaxt artırır. Oriented monokristallar və ya sifarişli membranlar üçün atomlararası vektor oriyentasiyaları dikroizmin ölçülməsindən əldə etmək olar. Bu üsullar klaster strukturlarını təyin etmək üçün xüsusilə faydalıdır.oksigen buraxan fotosintetik kompleksdə suyun oksidləşməsi ilə əlaqəli Mn4Ca çoxluğu kimi polinüvəli metallar. Üstəlik, suyun oksidləşmə reaksiyası dövründə S vəziyyətləri kimi tanınan ara vəziyyətlər arasında keçidlərlə əlaqəli həndəsə/strukturda kifayət qədər kiçik dəyişikliklər XAS istifadə edərək asanlıqla aşkar edilə bilər.
Tətbiqlər
X-şüaları spektroskopiyası üsulları arxeologiya, antropologiya, astronomiya, kimya, geologiya, mühəndislik və ictimai səhiyyə daxil olmaqla bir çox elm sahələrində istifadə olunur. Onun köməyi ilə siz qədim artefaktlar və qalıqlar haqqında gizli məlumatları aşkar edə bilərsiniz. Məsələn, Ayovadakı Grinnell Kollecinin kimya üzrə dosenti Li Sharp və həmkarları Şimali Amerikanın cənub-qərbində tarixdən əvvəlki insanlar tərəfindən hazırlanmış obsidian ox başlıqlarının mənşəyini izləmək üçün XRF-dən istifadə etdilər.
Astrofiziklər rentgen spektroskopiyası sayəsində kosmosdakı cisimlərin necə işlədiyi haqqında daha çox öyrənəcəklər. Məsələn, Sent-Luisdəki Vaşinqton Universitetinin tədqiqatçıları onların xüsusiyyətlərini öyrənmək üçün qara dəliklər kimi kosmik obyektlərin rentgen şüalarını müşahidə etməyi planlaşdırırlar. Eksperimental və nəzəri astrofizik Henryk Kravczynskinin rəhbərlik etdiyi qrup rentgen polarimetri adlanan rentgen spektrometrini buraxmağı planlaşdırır. 2018-ci ilin dekabr ayından başlayaraq cihaz uzun müddət heliumla doldurulmuş şarla Yer atmosferində asılı vəziyyətdə qaldı.
Yuri Gogotsi, kimyaçı və mühəndis,Pensilvaniya Drexel Universiteti rentgen spektroskopiyası ilə təhlil edilən materiallardan duzsuzlaşdırmaq üçün püskürən antenalar və membranlar yaradır.
Görünməz püskürən antenalar cəmi bir neçə onlarla nanometr qalınlığındadır, lakin radio dalğalarını ötürmək və yönləndirmək qabiliyyətinə malikdir. XAS texnikası inanılmaz dərəcədə nazik materialın tərkibinin düzgün olmasını təmin edir və keçiriciliyi müəyyən etməyə kömək edir. "Antenaların yaxşı işləməsi üçün yüksək metal keçiricilik tələb olunur, ona görə də biz materialı diqqətlə izləməliyik" dedi Gogotsi.
Qoqotzi və həmkarları həmçinin natrium kimi xüsusi ionları süzərək suyu duzsuzlaşdıran mürəkkəb membranların səthi kimyasını təhlil etmək üçün spektroskopiyadan istifadə edirlər.
Tibbdə
Rentgen fotoelektron spektroskopiyası anatomik tibbi tədqiqatın bir sıra sahələrində və praktikada, məsələn, müasir CT skan edən maşınlarda tətbiq tapır. KT taraması zamanı rentgen udma spektrlərinin toplanması (fotonların sayılması və ya spektral skanerdən istifadə etməklə) daha təfərrüatlı məlumat təmin edə və daha aşağı radiasiya dozaları və kontrast maddələrə (boyalara) daha az və ya heç bir ehtiyac olmadan bədən daxilində baş verənləri müəyyən edə bilər.
