לקרני רנטגן יש מספר תכונות ייחודיות כקרינה החורגות מאורך הגל הקצר מאוד שלהן. אחד המאפיינים החשובים שלהם למדע הוא סלקטיביות יסוד. על ידי בחירה ובחינה של הספקטרום של יסודות בודדים הממוקמים במקומות ייחודיים במולקולות מורכבות, יש לנו "חיישן אטומי" מקומי. על ידי בחינת האטומים הללו בזמנים שונים לאחר עירור המבנה על ידי האור, נוכל לעקוב אחר התפתחות של שינויים אלקטרוניים ומבניים גם במערכות מורכבות מאוד, או במילים אחרות, נוכל לעקוב אחר האלקטרון דרך המולקולה ודרך הממשקים.
היסטוריה
ממציא הרדיוגרפיה היה וילהלם קונרד רנטגן. פעם, כאשר מדען חקר את יכולתם של חומרים שונים לעצור את הקרניים, הוא הניח חתיכת עופרת קטנה במקומה בזמן שהתרחשה פריקה. כךלפיכך, ראה רונטגן את תמונת הרנטגן הראשונה, שלד רפאים מנצנץ משלו על מסך של בריום פלטינוציאניד. מאוחר יותר הוא דיווח כי בשלב זה החליט להמשיך בניסויים שלו בסתר כי חשש למוניטין המקצועי שלו אם תצפיותיו היו שגויות. המדען הגרמני זכה בפרס נובל הראשון לפיזיקה בשנת 1901 על גילוי קרני רנטגן בשנת 1895. לפי מעבדת האצה הלאומית של SLAC, הטכנולוגיה החדשה שלו אומצה במהירות על ידי מדענים ורופאים אחרים.
צ'ארלס ברקלה, פיזיקאי בריטי, ערך מחקר בין 1906 ל-1908 שהוביל לגילוי שלו שקרני רנטגן יכולות להיות אופייניות לחומרים מסוימים. עבודתו זיכתה אותו גם בפרס נובל לפיזיקה, אבל רק ב-1917.
השימוש בספקטרוסקופיה של קרני רנטגן החל למעשה קצת מוקדם יותר, ב-1912, החל משיתוף הפעולה בין אב ובנם של הפיזיקאים הבריטים, וויליאם הנרי בראג וויליאם לורנס בראג. הם השתמשו בספקטרוסקופיה כדי לחקור את האינטראקציה של קרני רנטגן עם אטומים בתוך גבישים. הטכניקה שלהם, שנקראת קריסטלוגרפיה רנטגן, הפכה לסטנדרט בתחום עד השנה שלאחר מכן, והם קיבלו את פרס נובל לפיזיקה ב-1915.
בפעולה
בשנים האחרונות נעשה שימוש בספקטרומטריית קרני רנטגן במגוון דרכים חדשות ומרגשות. על פני מאדים ישנו ספקטרומטר קרני רנטגן שאוסףמידע על המרכיבים המרכיבים את האדמה. כוחן של הקורות שימש לזיהוי צבע עופרת על צעצועים, מה שהפחית את הסיכון להרעלת עופרת. ניתן לראות את השותפות בין מדע לאמנות בשימוש ברדיוגרפיה בשימוש במוזיאונים כדי לזהות אלמנטים שעלולים לפגוע באוספים.
עקרונות עבודה
כאשר אטום אינו יציב או מופגז על ידי חלקיקי אנרגיה גבוהה, האלקטרונים שלו קופצים בין רמות האנרגיה. כאשר האלקטרונים מסתגלים, היסוד סופג ופולט פוטוני רנטגן בעלי אנרגיה גבוהה באופן המאפיין את האטומים המרכיבים את היסוד הכימי המסוים הזה. בעזרת ספקטרוסקופיה של קרני רנטגן, ניתן לקבוע תנודות באנרגיה. זה מאפשר לך לזהות חלקיקים ולראות את האינטראקציה של אטומים בסביבות שונות.
ישנן שתי שיטות עיקריות של ספקטרוסקופיה של קרני רנטגן: פיזור אורך גל (WDXS) ואנרגיה מפזרת (EDXS). WDXS מודד קרני רנטגן באורך גל בודד שמתעקמים על גביש. EDXS מודד קרני רנטגן הנפלטות על ידי אלקטרונים המגורים על ידי מקור בעל אנרגיה גבוהה של חלקיקים טעונים.
הניתוח של ספקטרוסקופיה של קרני רנטגן בשתי שיטות הפצת הקרינה מצביע על המבנה האטומי של החומר, ולכן, היסודות בתוך האובייקט המנותח.
טכניקות רדיוגרפיות
ישנן מספר שיטות שונות של רנטגן וספקטרוסקופיה אופטית של הספקטרום האלקטרוני, המשמשות בתחומים רבים של מדע וטכנולוגיה,כולל ארכיאולוגיה, אסטרונומיה והנדסה. ניתן להשתמש בשיטות אלו באופן עצמאי או יחד כדי ליצור תמונה מלאה יותר של החומר או האובייקט המנותח.
WDXS
X-ray photoelectron spectroscopy (WDXS) היא שיטה ספקטרוסקופית כמותית רגישה למשטח המודדת את הרכב היסודות בטווח של חלקים על פני החומר הנחקר, וגם קובעת את הנוסחה האמפירית, המצב הכימי ו מצב אלקטרוני של היסודות הקיימים בחומר. במילים פשוטות, WDXS היא שיטת מדידה שימושית מכיוון שהיא מראה לא רק אילו תכונות יש בתוך הסרט, אלא גם אילו תכונות נוצרות לאחר עיבוד.
ספקטרום של קרני רנטגן מתקבלות על ידי הקרנת חומר בקרן רנטגן תוך מדידת האנרגיה הקינטית ומספר האלקטרונים היוצאים מה-0-10 ננומטר העליון של החומר המנותח. WDXS דורש תנאי ואקום גבוה (P ~ 10-8 מיליבר) או ואקום גבוה במיוחד (UHV; P <10-9 מיליבר). למרות שה-WDXS בלחץ אטמוספרי נמצא כעת בפיתוח, שבו מנותחות דגימות בלחצים של כמה עשרות מיליבר.
ESCA (X-ray Electron Spectroscopy for Chemical Analysis) הוא ראשי תיבות שטבע צוות המחקר של קאי זיגבאהן כדי להדגיש את המידע הכימי (לא רק היסודי) שהטכניקה מספקת. בפועל, שימוש במקורות מעבדה טיפוסייםקרני רנטגן, XPS מזהה את כל היסודות עם מספר אטומי (Z) של 3 (ליתיום) ומעלה. הוא לא יכול לזהות בקלות מימן (Z=1) או הליום (Z=2).
EDXS
Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (EDXS) היא טכניקת מיקרואנליזה כימית המשמשת בשילוב עם מיקרוסקופיה אלקטרונית סורקת (SEM). שיטת EDXS מזהה קרני רנטגן הנפלטות מדגימה כשהן מופצצות בקרן אלקטרונים כדי לאפיין את הרכב היסודות של הנפח המנותח. ניתן לנתח אלמנטים או שלבים קטנים עד 1 מיקרומטר.
כאשר מדגם מופגז בקרן אלקטרונים SEM, אלקטרונים נפלטים מהאטומים המרכיבים את פני הדגימה. חללי האלקטרונים המתקבלים מתמלאים באלקטרונים ממצב גבוה יותר, וקרני רנטגן נפלטות כדי לאזן את הפרש האנרגיה בין המצבים של שני האלקטרונים. אנרגיית רנטגן אופיינית ליסוד שממנו היא נפלטה.
גלאי הרנטגן EDXS מודד את הכמות היחסית של הקרניים הנפלטות בהתאם לאנרגיה שלהם. הגלאי הוא בדרך כלל מכשיר ליתיום מוצק לסחיפת סיליקון. כאשר קרן רנטגן פוגעת בגלאי, היא יוצרת דופק מטען שהוא פרופורציונלי לאנרגיית צילום הרנטגן. פעימת המטען מומרת לפולס מתח (שנשאר פרופורציונלי לאנרגיית הרנטגן) באמצעות קדם מגבר רגיש למטען.האות נשלח לאחר מכן לנתח רב-ערוצי שבו הפולסים ממוינים לפי מתח. האנרגיה שנקבעה ממדידת המתח עבור כל צילום רנטגן מקרי נשלחת למחשב לתצוגה והערכה נוספת של הנתונים. ספקטרום אנרגיית רנטגן לעומת ספירה מוערך כדי לקבוע את הרכב היסודות של גודל המדגם.
XRF
ספקטרוסקופיה של קרני רנטגן (XRF) משמשת לניתוח כימי שגרתי ולא הרסני יחסית של סלעים, מינרלים, משקעים ונוזלים. עם זאת, XRF בדרך כלל לא יכול לנתח בגדלי נקודה קטנים (2-5 מיקרון), ולכן הוא משמש בדרך כלל לניתוח בתפזורת של חלקים גדולים של חומרים גיאולוגיים. הקלות היחסית והעלות הנמוכה של הכנת הדגימה, כמו גם היציבות וקלות השימוש בספקטרומטרים של קרני רנטגן, הופכים שיטה זו לאחת השיטה הנפוצה ביותר לניתוח של יסודות קורט עיקריים בסלעים, מינרלים ומשקעים.
הפיזיקה של XRF XRF תלויה בעקרונות יסוד המשותפים למספר טכניקות אינסטרומנטליות אחרות הכוללות אינטראקציות בין קרני אלקטרונים וקרני רנטגן בדגימות, כולל טכניקות רדיוגרפיה כגון SEM-EDS, עקיפה (XRD) ואורך גל רדיוגרפיה מפזרת (מיקרופרובי WDS).
הניתוח של יסודות הקורט העיקריים בחומרים גיאולוגיים על ידי XRF אפשרי בשל התנהגותם של אטומים כאשר הם מקיימים אינטראקציה עם קרינה. כאשר חומריםנרגשים מקרינה באורך גל קצר באנרגיה גבוהה (כגון קרני רנטגן), הם עלולים להפוך למיוננים. אם יש מספיק אנרגיית קרינה כדי לעקור את האלקטרון הפנימי המוחזק היטב, האטום הופך ללא יציב והאלקטרון החיצוני מחליף את הפנימי החסר. כאשר זה קורה, אנרגיה משתחררת עקב אנרגיית הקישור המופחתת של מסלול האלקטרון הפנימי בהשוואה לזה החיצוני. לקרינה יש אנרגיה נמוכה מזו של צילום הרנטגן הראשוני והיא נקראת פלורסנט.
ספקטרומטר XRF פועל מכיוון שאם דגימה מוארת בקרן רנטגן חזקה, המכונה קרן תקרית, חלק מהאנרגיה מתפזרת, אך חלק נבלע גם בדגימה, שתלוי בכימיקל שלה. הרכב.
XAS
ספקטרוסקופיה של ספיגת קרני רנטגן (XAS) היא מדידת מעברים ממצבים אלקטרוניים קרקעיים של מתכת למצבים אלקטרוניים נרגשים (LUMO) ורצף; הראשון ידוע בשם X-ray Absorption Near Structure (XANES) והאחרון כ-X-ray Extended Absorption Fine Structure (EXAFS), החוקר את המבנה העדין של ספיגה באנרגיות מעל סף שחרור האלקטרונים. שתי השיטות הללו מספקות מידע מבני נוסף, ספקטרום XANES המדווח על המבנה האלקטרוני והסימטריה של אתר המתכת, ו-EXAFS מדווח על מספרים, סוגים ומרחקים לליגנדים ולאטומים שכנים מהיסוד הסופג.
XAS מאפשר לנו ללמוד את המבנה המקומי של אלמנט בעל עניין ללא הפרעה מספיגה על ידי מטריצת חלבון, מים או אוויר. עם זאת, ספקטרוסקופיה של קרני רנטגן של מטלו-אנזימים הייתה אתגר בשל הריכוז היחסי הקטן של האלמנט המעניין בדגימה. במקרה כזה, הגישה הסטנדרטית הייתה להשתמש בקרינת רנטגן לזיהוי ספקטרום ספיגה במקום להשתמש במצב זיהוי השידור. הפיתוח של מקורות קרני רנטגן אינטנסיביים מהדור השלישי של קרינת סינכרוטרון איפשר גם לחקור דגימות מדוללות.
תסביכי מתכת, כמודלים עם מבנים ידועים, היו חיוניים להבנת ה-XAS של מטלופרוטאינים. קומפלקסים אלו מספקים את הבסיס להערכת השפעתו של מדיום התיאום (מטען קואורדינציה) על אנרגיית קצה הקליטה. המחקר של מתחמי מודל מאופיינים היטב מבחינה מבנית מספק גם אמת מידה להבנת EXAFS ממערכות מתכתיות בעלות מבנה לא ידוע.
יתרון משמעותי של XAS על פני קריסטלוגרפיה של קרני רנטגן הוא שניתן לקבל מידע מבני מקומי סביב אלמנט בעל עניין אפילו מדגימות לא מסודרות כמו אבקות ותמיסה. עם זאת, דגימות מוזמנות כגון ממברנות וגבישים בודדים מגדילות לעתים קרובות את המידע המתקבל מ-XAS. עבור גבישים בודדים מכוונים או ממברנות מסודרות, ניתן להסיק כיווני וקטור בין-אטומיים ממדידות של דיכרואיזם. שיטות אלו שימושיות במיוחד לקביעת מבני אשכול.מתכות רב-גרעיניות כגון צביר Mn4Ca הקשורים לחמצון מים בקומפלקס הפוטוסינתטי משחרר חמצן. יתרה מכך, שינויים קטנים למדי בגיאומטריה/מבנה הקשורים למעברים בין מצבי ביניים, הידועים כמצבי S, במחזור התגובה של חמצון מים ניתנים לזיהוי בקלות באמצעות XAS.
Applications
טכניקות ספקטרוסקופיה של קרני רנטגן משמשות בתחומים רבים של מדע, כולל ארכיאולוגיה, אנתרופולוגיה, אסטרונומיה, כימיה, גיאולוגיה, הנדסה ובריאות הציבור. בעזרתו תוכלו לגלות מידע נסתר על חפצים ושרידים עתיקים. לדוגמה, לי שארפ, פרופסור חבר לכימיה בגרינל קולג' באיווה, ועמיתיו השתמשו ב-XRF כדי להתחקות אחר מקורם של ראשי חץ אובסידיאן שנעשו על ידי אנשים פרהיסטוריים בדרום מערב צפון אמריקה.
אסטרופיזיקאים, הודות לספקטרוסקופיה של קרני רנטגן, ילמדו עוד על אופן הפעולה של עצמים בחלל. לדוגמה, חוקרים מאוניברסיטת וושינגטון בסנט לואיס מתכננים לצפות בקרני רנטגן של עצמים קוסמיים כמו חורים שחורים כדי ללמוד יותר על המאפיינים שלהם. צוות בראשות הנריק קרבצ'ינסקי, אסטרופיזיקאי ניסיוני ותיאורטי, מתכנן לשחרר ספקטרומטר של קרני רנטגן הנקרא פולארימטר של קרני רנטגן. החל מדצמבר 2018, המכשיר היה תלוי באטמוספירה של כדור הארץ עם בלון מלא הליום למשך זמן רב.
יורי גוגוצי, כימאי ומהנדס,אוניברסיטת דרקסל בפנסילבניה יוצרת אנטנות וממברנות מקוטעות להתפלה מחומרים שנותחו באמצעות ספקטרוסקופיה של קרני רנטגן.
אנטנות מקרטעות בלתי נראות בעובי של כמה עשרות ננומטרים בלבד, אך מסוגלות לשדר ולכוון גלי רדיו. טכניקת XAS מסייעת להבטיח שהרכב החומר הדק להפליא נכון ועוזרת לקבוע מוליכות. "אנטנות דורשות מוליכות מתכתית גבוהה כדי לעבוד היטב, אז עלינו לפקוח עין מקרוב על החומר", אמר Gogotsi.
גוגוצי ועמיתיו משתמשים גם בספקטרוסקופיה כדי לנתח את כימיה פני השטח של ממברנות מורכבות המפלות מים על ידי סינון יונים ספציפיים כגון נתרן.
ברפואה
ספקטרוסקופיה פוטואלקטרון-רנטגן מוצאת יישום במספר תחומים של מחקר רפואי אנטומי ובפועל, למשל, במכונות סריקת CT מודרניות. איסוף ספקטרום קליטת קרני רנטגן במהלך סריקת CT (באמצעות ספירת פוטון או סורק ספקטרלי) יכול לספק מידע מפורט יותר ולקבוע מה קורה בתוך הגוף, עם מינוני קרינה נמוכים יותר ופחות או ללא צורך בחומרי ניגוד (צבעים).
