Ռենտգենյան ճառագայթներն ունեն մի շարք յուրահատուկ հատկություններ՝ որպես ճառագայթում, որոնք գերազանցում են իրենց շատ կարճ ալիքի երկարությունը: Գիտության համար դրանց կարևոր հատկություններից է տարրական ընտրողականությունը։ Ընտրելով և ուսումնասիրելով առանձին տարրերի սպեկտրները, որոնք գտնվում են բարդ մոլեկուլների եզակի վայրերում, մենք ունենք տեղայնացված «ատոմային սենսոր»: Լույսի միջոցով կառուցվածքի գրգռումից հետո տարբեր ժամանակներում ուսումնասիրելով այս ատոմները՝ մենք կարող ենք հետևել էլեկտրոնային և կառուցվածքային փոփոխությունների զարգացմանը նույնիսկ շատ բարդ համակարգերում, կամ, այլ կերպ ասած, մենք կարող ենք հետևել էլեկտրոնին մոլեկուլի և միջերեսների միջոցով:
Պատմություն
Ռենտգենագրության գյուտարարը Վիլհելմ Կոնրադ Ռենտգենն էր: Մի անգամ, երբ գիտնականը ուսումնասիրում էր տարբեր նյութերի՝ ճառագայթները դադարեցնելու ունակությունը, նա կապարի մի փոքրիկ կտոր դրեց իր դիրքում՝ մինչ արտահոսք էր տեղի ունենում: ԱյսպիսովԱյսպիսով, Ռենտգենը տեսավ առաջին ռենտգեն պատկերը, իր սեփական շողշողացող ուրվական կմախքը բարիումի պլատինոցիանիդի էկրանի վրա: Նա ավելի ուշ հայտնեց, որ հենց այս պահին է որոշել շարունակել իր փորձերը գաղտնի, քանի որ վախենում էր իր մասնագիտական համբավից, եթե իր դիտարկումները սխալ լինեին: Գերմանացի գիտնականը ֆիզիկայի ոլորտում Նոբելյան առաջին մրցանակի է արժանացել 1901 թվականին՝ 1895 թվականին ռենտգենյան ճառագայթների հայտնաբերման համար։ Ըստ SLAC National Accelerator Laboratory-ի, նրա նոր տեխնոլոգիան արագորեն ընդունվեց այլ գիտնականների և բժիշկների կողմից:
Չարլզ Բարկլան՝ բրիտանացի ֆիզիկոս, հետազոտություն է անցկացրել 1906-1908 թվականներին, որոնք հանգեցրել են նրան, որ ռենտգենյան ճառագայթները կարող են բնորոշ լինել որոշ նյութերի: Նրա աշխատանքով նա նաև Նոբելյան մրցանակ ստացավ ֆիզիկայի բնագավառում, բայց միայն 1917 թվականին։
Ռենտգենյան սպեկտրոսկոպիայի կիրառումը իրականում սկսվել է մի փոքր ավելի վաղ՝ 1912 թվականին, սկսած բրիտանացի ֆիզիկոսների՝ Ուիլյամ Հենրի Բրեգի և Ուիլյամ Լոուրենս Բրեգի հոր և որդու համագործակցությամբ։ Նրանք սպեկտրոսկոպիայի միջոցով ուսումնասիրեցին ռենտգենյան ճառագայթների փոխազդեցությունը բյուրեղների ներսում գտնվող ատոմների հետ: Նրանց տեխնիկան, որը կոչվում է ռենտգենյան բյուրեղագրություն, հաջորդ տարի դարձավ ոլորտում ստանդարտ, և նրանք ստացան ֆիզիկայի Նոբելյան մրցանակ 1915 թվականին:
Գործողության մեջ
Վերջին տարիներին ռենտգենյան սպեկտրոմետրիան օգտագործվում է տարբեր նոր և հետաքրքիր ձևերով: Մարսի մակերեսին կա ռենտգենյան սպեկտրոմետր, որը հավաքում էտեղեկատվություն հողը կազմող տարրերի մասին. Ճառագայթների հզորությունը օգտագործվել է խաղալիքների վրա կապարե ներկ հայտնաբերելու համար, ինչը նվազեցրել է կապարի թունավորման վտանգը: Գիտության և արվեստի համագործակցությունը կարելի է տեսնել ռադիոգրաֆիայի օգտագործման մեջ, երբ այն օգտագործվում է թանգարաններում՝ բացահայտելու տարրերը, որոնք կարող են վնասել հավաքածուները:
Աշխատանքի սկզբունքներ
Երբ ատոմը անկայուն է կամ ռմբակոծվում է բարձր էներգիայի մասնիկներով, նրա էլեկտրոնները ցատկում են էներգիայի մակարդակների միջև: Երբ էլեկտրոնները հարմարվում են, տարրը կլանում և արձակում է բարձր էներգիայի ռենտգենյան ֆոտոններ՝ այդ հատուկ քիմիական տարրը կազմող ատոմներին բնորոշ ձևով: Ռենտգենյան սպեկտրոսկոպիայի միջոցով կարելի է որոշել էներգիայի տատանումները: Սա թույլ է տալիս բացահայտել մասնիկները և տեսնել ատոմների փոխազդեցությունը տարբեր միջավայրերում:
Ռենտգենյան սպեկտրոսկոպիայի երկու հիմնական մեթոդ կա՝ ալիքի երկարության դիսպերսիվ (WDXS) և էներգիա ցրող (EDXS): WDXS-ը չափում է մեկ ալիքի երկարությամբ ռենտգենյան ճառագայթները, որոնք ցրվում են բյուրեղի վրա: EDXS-ը չափում է ռենտգենյան ճառագայթները, որոնք արձակվում են էլեկտրոնների կողմից, որոնք խթանում են լիցքավորված մասնիկների բարձր էներգիայի աղբյուրը:
Ռենտգենյան սպեկտրոսկոպիայի վերլուծությունը ճառագայթման բաշխման երկու եղանակներում ցույց է տալիս նյութի ատոմային կառուցվածքը և, հետևաբար, վերլուծված օբյեկտի տարրերը:
Ռադիոգրաֆիկ տեխնիկա
Գոյություն ունեն էլեկտրոնային սպեկտրի ռենտգենյան և օպտիկական սպեկտրոսկոպիայի մի քանի տարբեր մեթոդներ, որոնք օգտագործվում են գիտության և տեխնիկայի բազմաթիվ ոլորտներում,այդ թվում՝ հնագիտության, աստղագիտության և ճարտարագիտության: Այս մեթոդները կարող են օգտագործվել ինքնուրույն կամ միասին՝ վերլուծված նյութի կամ առարկայի ավելի ամբողջական պատկեր ստեղծելու համար:
WDXS
Ռենտգեն ֆոտոէլեկտրոնային սպեկտրոսկոպիան (WDXS) մակերեսային զգայուն քանակական սպեկտրոսկոպիկ մեթոդ է, որը չափում է տարրական բաղադրությունը ուսումնասիրվող նյութի մակերեսի մի շարք մասերում, ինչպես նաև որոշում է էմպիրիկ բանաձևը, քիմիական վիճակը և նյութի մեջ առկա տարրերի էլեկտրոնային վիճակը: Պարզ ասած, WDXS-ը չափման օգտակար մեթոդ է, քանի որ այն ցույց է տալիս ոչ միայն այն, թե ինչ հատկանիշներ կան ֆիլմի ներսում, այլ նաև, թե ինչ հատկանիշներ են ձևավորվում մշակումից հետո:
Ռենտգենյան ճառագայթների սպեկտրները ստացվում են նյութը ռենտգենյան ճառագայթով ճառագայթելով՝ միաժամանակ չափելով կինետիկ էներգիան և էլեկտրոնների քանակը, որոնք դուրս են գալիս վերլուծված նյութի վերին 0-10 նմ-ից: WDXS-ը պահանջում է բարձր վակուումային (P ~ 10-8 միլիբար) կամ ծայրահեղ բարձր վակուումային (UHV; P <10-9 միլիբար) պայմաններ: Թեև ներկայումս մշակվում է WDXS-ը մթնոլորտային ճնշման տակ, որտեղ նմուշները վերլուծվում են մի քանի տասնյակ միլիբար ճնշման տակ:
ESCA (ռենտգենյան Էլեկտրոնային սպեկտրոսկոպիա քիմիական վերլուծության համար) հապավում է, որը հորինվել է Քայ Սիգբանի հետազոտական թիմի կողմից՝ ընդգծելու քիմիական (ոչ միայն տարրական) տեղեկատվությունը, որը տրամադրում է տեխնիկան: Գործնականում, օգտագործելով բնորոշ լաբորատոր աղբյուրներՌենտգենյան ճառագայթները, XPS-ը հայտնաբերում է բոլոր տարրերը, որոնց ատոմային համարը (Z) 3 (լիթիում) և ավելի է: Այն չի կարող հեշտությամբ հայտնաբերել ջրածինը (Z=1) կամ հելիումը (Z=2):
EDXS
Էներգետիկ դիսպերսիվ ռենտգենյան սպեկտրոսկոպիա (EDXS) քիմիական միկրովերլուծության տեխնիկա է, որն օգտագործվում է սկանավորող էլեկտրոնային մանրադիտակի (SEM) հետ համատեղ: EDXS մեթոդը հայտնաբերում է ռենտգենյան ճառագայթները, որոնք արտանետվում են նմուշից, երբ ռմբակոծվում է էլեկտրոնային ճառագայթով, որպեսզի բնութագրի վերլուծված ծավալի տարրական կազմը: 1 մկմ փոքր տարրերը կամ փուլերը կարող են վերլուծվել:
Երբ նմուշը ռմբակոծվում է SEM էլեկտրոնային ճառագայթով, էլեկտրոնները դուրս են մղվում նմուշի մակերեսը կազմող ատոմներից: Ստացված էլեկտրոնային դատարկությունները լցվում են ավելի բարձր վիճակի էլեկտրոններով, և ռենտգենյան ճառագայթները արտանետվում են՝ հավասարակշռելու երկու էլեկտրոնների վիճակների միջև էներգիայի տարբերությունը: Ռենտգենյան ճառագայթների էներգիան բնորոշ է այն տարրին, որտեղից այն արտանետվել է։
EDXS ռենտգեն դետեկտորը չափում է արտանետվող ճառագայթների հարաբերական քանակը՝ կախված դրանց էներգիայից: Դետեկտորը սովորաբար սիլիցիումի դրեյֆ լիթիումի պինդ վիճակի սարք է: Երբ պատահական ռենտգենյան ճառագայթը հարվածում է դետեկտորին, այն ստեղծում է լիցքավորման իմպուլս, որը համաչափ է ռենտգենյան ճառագայթների էներգիային: Լիցքավորման իմպուլսը փոխակերպվում է լարման իմպուլսի (որը մնում է ռենտգենյան ճառագայթների էներգիայի համամասնական) լիցքի նկատմամբ զգայուն նախաուժեղացուցիչի միջոցով։Այնուհետև ազդանշանն ուղարկվում է բազմալիք անալիզատոր, որտեղ իմպուլսները դասակարգվում են ըստ լարման: Յուրաքանչյուր դիպված ռենտգենի համար լարման չափումից որոշված էներգիան ուղարկվում է համակարգիչ՝ տվյալների ցուցադրման և հետագա գնահատման համար: Ռենտգենյան ճառագայթների էներգիայի սպեկտրն ընդդեմ քանակի գնահատվում է նմուշի չափի տարրական կազմը որոշելու համար:
XRF
Ռենտգենյան ֆլուորեսցենտային սպեկտրոսկոպիան (XRF) օգտագործվում է ապարների, հանքանյութերի, նստվածքների և հեղուկների սովորական, համեմատաբար ոչ կործանարար քիմիական վերլուծության համար: Այնուամենայնիվ, XRF-ը սովորաբար չի կարող վերլուծել փոքր կետերում (2-5 մկմ), ուստի այն սովորաբար օգտագործվում է երկրաբանական նյութերի մեծ ֆրակցիաների զանգվածային վերլուծության համար: Նմուշի պատրաստման հարաբերական հեշտությունն ու ցածր արժեքը, ինչպես նաև ռենտգենյան սպեկտրոմետրերի կայունությունն ու օգտագործման հեշտությունը այս մեթոդը դարձնում են ապարների, հանքանյութերի և նստվածքների հիմնական հետագծային տարրերի վերլուծության համար առավել լայնորեն օգտագործվողներից մեկը:
XRF XRF-ի ֆիզիկան կախված է հիմնարար սկզբունքներից, որոնք ընդհանուր են մի քանի այլ գործիքային տեխնիկայի համար, որոնք ներառում են նմուշների վրա էլեկտրոնային ճառագայթների և ռենտգենյան ճառագայթների փոխազդեցությունը, ներառյալ ռադիոգրաֆիայի մեթոդները, ինչպիսիք են SEM-EDS, դիֆրակցիան (XRD) և ալիքի երկարությունը: դիսպերսիվ ռադիոգրաֆիա (միկրոզոնդ WDS).
Երկրաբանական նյութերի հիմնական հետագծային տարրերի վերլուծությունը XRF-ով հնարավոր է ատոմների վարքագծի շնորհիվ, երբ դրանք փոխազդում են ճառագայթման հետ: Երբ նյութերՈգեւորվելով բարձր էներգիայի կարճ ալիքի ճառագայթումից (օրինակ՝ ռենտգենյան ճառագայթներից), նրանք կարող են իոնացվել։ Եթե կա բավականաչափ ճառագայթման էներգիա՝ ամուր պահվող ներքին էլեկտրոնը տեղահանելու համար, ատոմը դառնում է անկայուն, իսկ արտաքին էլեկտրոնը փոխարինում է բացակայող ներքինին: Երբ դա տեղի է ունենում, էներգիան ազատվում է ներքին էլեկտրոնի ուղեծրի կրճատված կապի էներգիայի պատճառով արտաքինի համեմատ: Ճառագայթումն ավելի ցածր էներգիա ունի, քան առաջնային ռենտգենյան ճառագայթը և կոչվում է լյումինեսցենտ:
XRF սպեկտրոմետրը աշխատում է, քանի որ եթե նմուշը լուսավորվում է ինտենսիվ ռենտգենյան ճառագայթով, որը հայտնի է որպես հարվածող ճառագայթ, էներգիայի մի մասը ցրվում է, բայց որոշ մասը նույնպես կլանվում է նմուշում, ինչը կախված է դրա քիմիական նյութից: կազմը.
XAS
Ռենտգենյան կլանման սպեկտրոսկոպիա (XAS) մետաղի հիմնական էլեկտրոնային վիճակներից դեպի գրգռված էլեկտրոնային վիճակներ (LUMO) և շարունակականություն անցումների չափումն է. առաջինը հայտնի է որպես X-ray Absorption Near Structure (XANES), իսկ երկրորդը որպես X-ray Extended Absorption Fine Structure (EXAFS), որն ուսումնասիրում է կլանման նուրբ կառուցվածքը էլեկտրոնի ազատման շեմից բարձր էներգիաներում: Այս երկու մեթոդները տրամադրում են լրացուցիչ կառուցվածքային տեղեկատվություն, XANES սպեկտրը հաղորդում է մետաղական տեղամասի էլեկտրոնային կառուցվածքը և համաչափությունը, և EXAFS-ը հաղորդում է ներծծող տարրից լիգանդների և հարևան ատոմների համարների, տեսակների և հեռավորությունների մասին:
XAS-ը մեզ թույլ է տալիս ուսումնասիրել հետաքրքրող տարրի տեղական կառուցվածքը՝ առանց սպիտակուցի մատրիցով, ջրի կամ օդի կլանման միջամտության: Այնուամենայնիվ, մետաղաֆերմենտների ռենտգենյան սպեկտրոսկոպիան մարտահրավեր է դարձել՝ նմուշում հետաքրքրող տարրի փոքր հարաբերական կոնցենտրացիայի պատճառով: Նման դեպքում ստանդարտ մոտեցումն էր օգտագործել ռենտգենյան ֆլուորեսցենտությունը՝ ներծծման սպեկտրները հայտնաբերելու համար՝ փոխանցման հայտնաբերման ռեժիմը օգտագործելու փոխարեն: Երրորդ սերնդի սինքրոտրոնային ճառագայթման ինտենսիվ ռենտգենյան աղբյուրների զարգացումը նաև հնարավորություն է տվել ուսումնասիրել նոսր նմուշները։
Մետաղական համալիրները, որպես հայտնի կառուցվածք ունեցող մոդելներ, կարևոր նշանակություն ունեն մետաղապրոտեինների XAS-ը հասկանալու համար: Այս համալիրները հիմք են տալիս գնահատելու կոորդինացիոն միջավայրի (կոորդինացիոն լիցքի) ազդեցությունը կլանման եզրային էներգիայի վրա։ Կառուցվածքային լավ բնութագրված մոդելային համալիրների ուսումնասիրությունը նաև ուղենիշ է տալիս EXAFS-ը անհայտ կառուցվածքի մետաղական համակարգերից հասկանալու համար:
XAS-ի զգալի առավելությունը ռենտգենյան բյուրեղագրության նկատմամբ այն է, որ տեղական կառուցվածքային տեղեկատվություն հետաքրքրող տարրի շուրջ կարելի է ստանալ նույնիսկ անկանոն նմուշներից, ինչպիսիք են փոշիները և լուծույթները: Այնուամենայնիվ, պատվիրված նմուշները, ինչպիսիք են թաղանթները և մեկ բյուրեղները, հաճախ մեծացնում են XAS-ից ստացված տեղեկատվությունը: Կողմնորոշված միաբյուրեղների կամ դասավորված թաղանթների համար միջատոմային վեկտորի կողմնորոշումները կարելի է եզրակացնել երկխոսության չափումներից: Այս մեթոդները հատկապես օգտակար են կլաստերային կառուցվածքները որոշելու համար:բազմամիջուկային մետաղներ, ինչպիսին է Mn4Ca կլաստերը, որը կապված է թթվածին արձակող ֆոտոսինթետիկ համալիրում ջրի օքսիդացման հետ: Ավելին, երկրաչափության/կառուցվածքի բավականին փոքր փոփոխությունները՝ կապված միջանկյալ վիճակների միջև անցումների հետ, որոնք հայտնի են որպես S- վիճակներ, ջրի օքսիդացման ռեակցիայի ցիկլում հեշտությամբ կարելի է հայտնաբերել XAS-ի միջոցով:
Դիմումներ
Ռենտգենյան սպեկտրոսկոպիայի տեխնիկան օգտագործվում է գիտության բազմաթիվ ոլորտներում, այդ թվում՝ հնագիտության, մարդաբանության, աստղագիտության, քիմիայի, երկրաբանության, ճարտարագիտության և հանրային առողջության ոլորտներում: Նրա օգնությամբ դուք կարող եք բացահայտել թաքնված տեղեկություններ հնագույն արտեֆակտների և մնացորդների մասին: Օրինակ՝ Լի Շարփը՝ Այովա նահանգի Գրինել քոլեջի քիմիայի դոցենտ, իր գործընկերներն օգտագործել են XRF՝ հայտնաբերելու օբսիդիանի նետերի ծագումը, որոնք ստեղծվել են հյուսիսամերիկյան հարավ-արևմուտքում նախապատմական մարդկանց կողմից::
Աստղաֆիզիկոսները, ռենտգենյան սպեկտրոսկոպիայի շնորհիվ, ավելին կիմանան, թե ինչպես են աշխատում տիեզերքում գտնվող առարկաները: Օրինակ՝ Սենթ Լուիսի Վաշինգտոնի համալսարանի հետազոտողները նախատեսում են ռենտգենյան ճառագայթներ դիտարկել տիեզերական օբյեկտներից, ինչպիսիք են սև խոռոչները՝ դրանց բնութագրերի մասին ավելին իմանալու համար: Փորձարար և տեսական աստղաֆիզիկոս Հենրիխ Կրավչինսկու գլխավորած թիմը նախատեսում է թողարկել ռենտգենյան սպեկտրոմետր, որը կոչվում է ռենտգենյան բևեռաչափ: 2018 թվականի դեկտեմբերից սկսած՝ գործիքը երկար ժամանակ կախվել է Երկրի մթնոլորտում հելիումով լցված օդապարիկով։
Յուրի Գոգոցի, քիմիկոս և ինժեներ,Փենսիլվանիայի Դրեքսել համալսարանը ռենտգենյան սպեկտրոսկոպիայի միջոցով վերլուծված նյութերից աղազերծման համար ստեղծում է ցրված ալեհավաքներ և թաղանթներ:
Անտեսանելի ցրված ալեհավաքներն ունեն ընդամենը մի քանի տասնյակ նանոմետր հաստություն, սակայն ընդունակ են փոխանցել և ուղղորդել ռադիոալիքները: XAS տեխնիկան օգնում է ապահովել, որ անհավանական բարակ նյութի կազմը ճիշտ է և օգնում է որոշել հաղորդունակությունը: «Ալեհավաքները լավ աշխատելու համար պահանջում են բարձր մետաղական հաղորդունակություն, ուստի մենք պետք է ուշադիր հետևենք նյութին», - ասաց Գոգոցին:
Գոգոցին և գործընկերները նաև օգտագործում են սպեկտրոսկոպիա՝ վերլուծելու բարդ թաղանթների մակերեսային քիմիան, որոնք աղազրկում են ջուրը՝ զտելով հատուկ իոններ, ինչպիսին է նատրիումը:
Բժշկության մեջ
Ռենտգենյան ֆոտոէլեկտրոնային սպեկտրոսկոպիան կիրառություն է գտնում անատոմիական բժշկական հետազոտությունների մի քանի ոլորտներում և գործնականում, օրինակ՝ ժամանակակից CT սկանավորման մեքենաներում: Ռենտգենյան ճառագայթների կլանման սպեկտրների հավաքումը CT սկանավորման ընթացքում (օգտագործելով ֆոտոնների հաշվարկ կամ սպեկտրալ սկաներ) կարող է ավելի մանրամասն տեղեկատվություն տրամադրել և որոշել, թե ինչ է կատարվում մարմնի ներսում՝ ավելի ցածր ճառագայթման չափաբաժիններով և հակադրություն նյութերի (ներկանյութերի) պակաս կամ առանց կարիքի։
