اشعه ایکس تعدادی ویژگی منحصر به فرد به عنوان تابش دارد که فراتر از طول موج بسیار کوتاه آنها است. یکی از خواص مهم آنها برای علم، انتخاب عنصری است. با انتخاب و بررسی طیف عناصر منفرد که در مکان‌های منحصربه‌فرد در مولکول‌های پیچیده قرار دارند، یک «حسگر اتمی» موضعی داریم. با بررسی این اتم‌ها در زمان‌های مختلف پس از برانگیختن ساختار توسط نور، می‌توان تحولات الکترونیکی و ساختاری را حتی در سیستم‌های بسیار پیچیده دنبال کرد یا به عبارت دیگر، الکترون را از طریق مولکول و از طریق رابط‌ها دنبال کرد.
تاریخ
مخترع رادیوگرافی ویلهلم کنراد رونتگن بود. یک بار، زمانی که دانشمندی در حال بررسی توانایی مواد مختلف برای متوقف کردن پرتوها بود، یک قطعه کوچک سرب را در موقعیتی که تخلیه در حال انجام بود، قرار داد. بنابراینبنابراین، رونتگن اولین تصویر اشعه ایکس، اسکلت شبح‌آلود درخشان خود را روی صفحه‌ای از باریم پلاتینوسیانید دید. او بعداً گزارش داد که در این مرحله بود که تصمیم گرفت آزمایشات خود را مخفیانه ادامه دهد، زیرا از شهرت حرفه ای خود می ترسید که مشاهداتش اشتباه باشد. این دانشمند آلمانی اولین جایزه نوبل فیزیک را در سال 1901 به دلیل کشف اشعه ایکس در سال 1895 دریافت کرد. طبق گفته آزمایشگاه ملی شتاب دهنده SLAC، فناوری جدید او به سرعت توسط دانشمندان و پزشکان دیگر مورد استفاده قرار گرفت.
چارلز بارکلا، فیزیکدان بریتانیایی، بین سال های 1906 و 1908 تحقیقاتی انجام داد که به کشف او انجامید که اشعه ایکس می تواند مشخصه مواد خاصی باشد. کار او همچنین جایزه نوبل فیزیک را برای او به ارمغان آورد، اما فقط در سال 1917.
استفاده از طیف سنجی اشعه ایکس در واقع کمی زودتر، در سال 1912، با همکاری پدر و پسر فیزیکدانان بریتانیایی، ویلیام هنری براگ و ویلیام لارنس براگ آغاز شد. آنها از طیف سنجی برای مطالعه برهمکنش پرتوهای ایکس با اتم های درون کریستال ها استفاده کردند. تکنیک آنها که کریستالوگرافی اشعه ایکس نام داشت تا سال بعد به استاندارد در این زمینه تبدیل شد و جایزه نوبل فیزیک را در سال 1915 دریافت کردند.
در عمل
در سال‌های اخیر، طیف‌سنجی پرتو ایکس به روش‌های مختلف و جدید و هیجان‌انگیزی مورد استفاده قرار گرفته است. در سطح مریخ یک طیف سنج پرتو ایکس وجود دارد که جمع آوری می کنداطلاعاتی در مورد عناصر تشکیل دهنده خاک از قدرت تیرها برای تشخیص رنگ سرب روی اسباب بازی ها استفاده شد که خطر مسمومیت با سرب را کاهش داد. مشارکت بین علم و هنر را می‌توان در استفاده از رادیوگرافی در موزه‌ها برای شناسایی عناصری که می‌توانند به مجموعه‌ها آسیب وارد کنند، مشاهده کرد.
اصول کار
وقتی یک اتم ناپایدار است یا توسط ذرات پر انرژی بمباران می شود، الکترون های آن بین سطوح انرژی می پرند. همانطور که الکترون‌ها تنظیم می‌شوند، عنصر فوتون‌های پرانرژی اشعه ایکس را به روشی که مشخصه اتم‌هایی است که آن عنصر شیمیایی خاص را تشکیل می‌دهند، جذب و ساطع می‌کند. با طیف سنجی اشعه ایکس می توان نوسانات انرژی را تعیین کرد. این به شما امکان می دهد ذرات را شناسایی کنید و تعامل اتم ها را در محیط های مختلف مشاهده کنید.
دو روش اصلی طیف‌سنجی پرتو ایکس وجود دارد: پراکندگی طول موج (WDXS) و پراکندگی انرژی (EDXS). WDXS اشعه ایکس تک طول موجی را که روی یک کریستال پراکنده می شوند اندازه گیری می کند. EDXS اشعه ایکس ساطع شده توسط الکترون های تحریک شده توسط منبع پر انرژی ذرات باردار را اندازه گیری می کند.
تجزیه و تحلیل طیف‌سنجی پرتو ایکس در هر دو روش توزیع تابش، ساختار اتمی ماده و بنابراین عناصر درون جسم مورد تجزیه و تحلیل را نشان می‌دهد.
تکنیک های رادیوگرافی
چندین روش مختلف طیف سنجی اشعه ایکس و نوری طیف الکترونیکی وجود دارد که در بسیاری از زمینه های علم و فناوری استفاده می شود.از جمله باستان شناسی، نجوم و مهندسی. این روش ها را می توان به طور مستقل یا با هم برای ایجاد تصویر کامل تری از ماده یا شی مورد تجزیه و تحلیل استفاده کرد.
WDXS
طیف‌سنجی فوتوالکترون پرتو ایکس (WDXS) یک روش طیف‌سنجی کمی حساس به سطح است که ترکیب عنصری را در طیف وسیعی از قطعات روی سطح ماده مورد مطالعه اندازه‌گیری می‌کند و همچنین فرمول تجربی، حالت شیمیایی و نیز تعیین می‌کند. حالت الکترونیکی عناصر موجود در ماده به زبان ساده، WDXS یک روش اندازه‌گیری مفید است زیرا نه تنها ویژگی‌های داخل فیلم را نشان می‌دهد، بلکه ویژگی‌هایی را نیز پس از پردازش تشکیل می‌دهد.
طیف های پرتو ایکسبا تابش یک ماده با پرتو اشعه ایکس و همزمان اندازه گیری انرژی جنبشی و تعداد الکترون هایی که از 0-10 نانومتر بالایی ماده تجزیه و تحلیل شده بیرون می آیند، به دست می آیند. WDXS به شرایط خلاء بالا (P~ 10-8 میلی بار) یا خلاء فوق العاده بالا (UHV؛ P <10-9 میلی بار) نیاز دارد. اگرچه WDXS در فشار اتمسفر در حال حاضر در حال توسعه است، که در آن نمونه ها در فشارهای چند ده میلی بار تجزیه و تحلیل می شوند.
ESCA (طیف‌سنجی الکترونی اشعه ایکس برای تجزیه و تحلیل شیمیایی) مخفف‌شده‌ای است که توسط تیم تحقیقاتی کای سیگبان برای تأکید بر اطلاعات شیمیایی (نه فقط عنصری) ارائه‌شده توسط این تکنیک ابداع شده است. در عمل، با استفاده از منابع آزمایشگاهی معمولیXPS تمام عناصر با عدد اتمی (Z) 3 (لیتیوم) و بالاتر را تشخیص می دهد. نمی تواند به راحتی هیدروژن (Z=1) یا هلیوم (Z=2) را تشخیص دهد.
EDXS
طیف‌سنجی پرتو ایکس پراکنده انرژی (EDXS) یک تکنیک میکروآنالیز شیمیایی است که در ارتباط با میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) استفاده می‌شود. روش EDXS اشعه ایکس ساطع شده توسط یک نمونه را هنگام بمباران با پرتو الکترونی شناسایی می کند تا ترکیب عنصری حجم تجزیه و تحلیل شده را مشخص کند. عناصر یا فازهایی به کوچکی 1 میکرومتر قابل تجزیه و تحلیل هستند.
هنگامی که یک نمونه با یک پرتو الکترونی SEM بمباران می شود، الکترون ها از اتم هایی که سطح نمونه را تشکیل می دهند به بیرون پرتاب می شوند. حفره های الکترونی حاصل با الکترون های یک حالت بالاتر پر می شوند و پرتوهای ایکس برای متعادل کردن اختلاف انرژی بین حالات دو الکترون ساطع می شوند. انرژی اشعه ایکس مشخصه عنصری است که از آن ساطع شده است.
آشکارساز اشعه ایکس EDXS مقدار نسبی پرتوهای ساطع شده را بسته به انرژی آنها اندازه گیری می کند. آشکارساز معمولاً یک دستگاه حالت جامد لیتیوم سیلیکونی است. هنگامی که یک پرتو اشعه ایکس تابشی به آشکارساز برخورد می کند، یک پالس شارژ ایجاد می کند که متناسب با انرژی اشعه ایکس است. پالس شارژ با استفاده از یک پیش تقویت کننده حساس به بار به یک پالس ولتاژ (که متناسب با انرژی اشعه ایکس باقی می ماند) تبدیل می شود.سپس سیگنال به یک تحلیلگر چند کاناله ارسال می شود که در آنجا پالس ها بر اساس ولتاژ مرتب می شوند. انرژی تعیین شده از اندازه گیری ولتاژ برای هر اشعه ایکس تابشی برای نمایش و ارزیابی بیشتر داده ها به رایانه ارسال می شود. طیف انرژی اشعه ایکس در مقابل تعداد برای تعیین ترکیب عنصری اندازه نمونه برآورد شده است.
XRF
طیف‌سنجی فلورسانس اشعه ایکس (XRF) برای تجزیه و تحلیل شیمیایی معمول و نسبتاً غیر مخرب سنگ‌ها، کانی‌ها، رسوبات و سیالات استفاده می‌شود. با این حال، XRF معمولاً نمی تواند در اندازه های نقطه کوچک (2-5 میکرون) تجزیه و تحلیل کند، بنابراین معمولاً برای تجزیه و تحلیل انبوه بخش های بزرگی از مواد زمین شناسی استفاده می شود. سهولت نسبی و هزینه کم تهیه نمونه و همچنین پایداری و سهولت استفاده از طیف سنج های اشعه ایکس، این روش را به یکی از پرکاربردترین روش ها برای آنالیز عناصر کمیاب اصلی در سنگ ها، کانی ها و رسوبات تبدیل کرده است.
فیزیک XRF XRF به اصول بنیادی بستگی دارد که در چندین تکنیک ابزاری دیگر مشترک است که شامل برهمکنش بین پرتوهای الکترونی و اشعه ایکس بر روی نمونه‌ها می‌شود، از جمله تکنیک‌های رادیوگرافی مانند SEM-EDS، پراش (XRD) و طول موج. رادیوگرافی پراکنده (میکروپروب WDS).
تجزیه و تحلیل عناصر کمیاب اصلی در مواد زمین شناسی توسط XRF به دلیل رفتار اتم ها هنگام برهم کنش با تشعشع امکان پذیر است. زمانی که موادآنها با تابش پرانرژی با طول موج کوتاه (مانند اشعه ایکس) برانگیخته می شوند، می توانند یونیزه شوند. اگر انرژی تشعشعی کافی برای جابجایی الکترون درونی محکم وجود داشته باشد، اتم ناپایدار می شود و الکترون بیرونی جایگزین الکترون داخلی از دست رفته می شود. هنگامی که این اتفاق می افتد، انرژی به دلیل کاهش انرژی اتصال اوربیتال الکترون داخلی در مقایسه با اوربیتال خارجی آزاد می شود. این تابش انرژی کمتری نسبت به اشعه ایکس فرودی اولیه دارد و فلورسنت نامیده می شود.
طیف سنج XRF کار می کند زیرا اگر یک نمونه با یک پرتو پرتو ایکس شدید که به عنوان پرتو فرودی شناخته می شود روشن شود، مقداری از انرژی پراکنده می شود، اما مقداری نیز در نمونه جذب می شود که بستگی به مواد شیمیایی آن دارد. ترکیب.
XAS
طیف‌سنجی جذب پرتو ایکس (XAS) اندازه‌گیری انتقال از حالت‌های الکترونیکی یک فلز به حالت‌های الکترونیکی برانگیخته (LUMO) و پیوسته است. اولی به عنوان ساختار نزدیک جذب پرتو ایکس (XANES) و دومی به عنوان ساختار ظریف جذب پرتو ایکس (EXAFS) شناخته می‌شود که ساختار ظریف جذب را در انرژی‌های بالاتر از آستانه انتشار الکترون مطالعه می‌کند. این دو روش اطلاعات ساختاری بیشتری را ارائه می‌دهند، طیف XANES ساختار الکترونیکی و تقارن محل فلز را گزارش می‌کند، و EXAFS اعداد، انواع و فاصله‌ها را با لیگاندها و اتم‌های همسایه از عنصر جاذب گزارش می‌کند.
XAS به ما اجازه می دهد تا ساختار محلی یک عنصر مورد علاقه را بدون تداخل جذب توسط ماتریکس پروتئین، آب یا هوا مطالعه کنیم. با این حال، طیف‌سنجی اشعه ایکس متالوآنزیم‌ها به دلیل غلظت نسبی کم عنصر مورد نظر در نمونه یک چالش بوده است. در چنین حالتی، رویکرد استاندارد استفاده از فلورسانس اشعه ایکس برای تشخیص طیف های جذبی به جای استفاده از حالت تشخیص انتقال بود. توسعه نسل سوم منابع پرتو ایکس شدید تابش سنکروترون نیز امکان مطالعه نمونه های رقیق را فراهم کرده است.
مجتمع های فلزی، به عنوان مدل هایی با ساختارهای شناخته شده، برای درک XAS متالوپروتئین ها ضروری بودند. این کمپلکس‌ها مبنایی را برای ارزیابی تأثیر محیط هماهنگی (بار هماهنگی) بر انرژی لبه جذب فراهم می‌کنند. مطالعه مجتمع‌های مدل با ویژگی‌های ساختاری نیز معیاری برای درک EXAFS از سیستم‌های فلزی ساختار ناشناخته ارائه می‌دهد.
یک مزیت قابل توجه XAS نسبت به کریستالوگرافی اشعه ایکس این است که اطلاعات ساختاری محلی پیرامون یک عنصر مورد علاقه را می توان حتی از نمونه های نامنظم مانند پودرها و محلول ها به دست آورد. با این حال، نمونه های سفارش داده شده مانند غشاها و تک کریستال ها اغلب اطلاعات به دست آمده از XAS را افزایش می دهند. برای تک بلورهای جهت دار یا غشاهای مرتب شده، جهت گیری های بردار بین اتمی را می توان از اندازه گیری دو رنگی استنباط کرد. این روش ها به ویژه برای تعیین ساختارهای خوشه ای مفید هستند.فلزات چند هسته ای مانند خوشه Mn4Ca مرتبط با اکسیداسیون آب در مجتمع فتوسنتزی آزاد کننده اکسیژن. علاوه بر این، تغییرات نسبتاً کوچک در هندسه/ساختار مرتبط با انتقال بین حالت‌های میانی، معروف به حالت S، در چرخه واکنش اکسیداسیون آب به راحتی با استفاده از XAS قابل تشخیص است.
برنامه ها
تکنیک‌های طیف‌سنجی اشعه ایکس در بسیاری از زمینه‌های علوم، از جمله باستان‌شناسی، مردم‌شناسی، نجوم، شیمی، زمین‌شناسی، مهندسی و بهداشت عمومی استفاده می‌شود. با کمک آن می توانید اطلاعات پنهانی در مورد آثار و بقایای باستانی کشف کنید. به عنوان مثال، لی شارپ، دانشیار شیمی در کالج گرینل در آیووا، و همکارانش از XRF برای ردیابی منشأ نوک پیکان های ابسیدین ساخته شده توسط افراد ماقبل تاریخ در جنوب غرب آمریکای شمالی استفاده کردند.
اخترفیزیکدانان، به لطف طیف سنجی اشعه ایکس، بیشتر در مورد نحوه کار اجسام در فضا خواهند آموخت. به عنوان مثال، محققان دانشگاه واشنگتن در سنت لوئیس قصد دارند اشعه ایکس را از اجرام کیهانی مانند سیاهچاله ها رصد کنند تا در مورد ویژگی های آنها اطلاعات بیشتری کسب کنند. تیمی به رهبری هنریک کراوچینسکی، اخترفیزیکدان تجربی و نظری، قصد دارند طیف سنج پرتو ایکسی به نام قطب سنج اشعه ایکس را منتشر کنند. از دسامبر 2018، این ابزار برای مدت طولانی با بالون پر از هلیوم در جو زمین معلق بود.
یوری گوگوتسی، شیمیدان و مهندس،دانشگاه درکسل پنسیلوانیا آنتن‌ها و غشاهای پراکنده‌ای را برای نمک‌زدایی از مواد تحلیل‌شده توسط طیف‌سنجی اشعه ایکس ایجاد می‌کند.
آنتن های پراکنده نامرئی تنها چند ده نانومتر ضخامت دارند، اما قادر به ارسال و هدایت امواج رادیویی هستند. تکنیک XAS کمک می کند تا اطمینان حاصل شود که ترکیب مواد فوق العاده نازک درست است و به تعیین رسانایی کمک می کند. گوگوتسی گفت: «آنتن‌ها برای کارکرد خوب به رسانایی فلزی بالایی نیاز دارند، بنابراین ما باید مواد را به دقت زیر نظر داشته باشیم.»
Gogotzi و همکارانش همچنین از طیف‌سنجی برای تجزیه و تحلیل شیمی سطح غشاهای پیچیده استفاده می‌کنند که آب را با فیلتر کردن یون‌های خاصی مانند سدیم نمک‌زدایی می‌کنند.
در پزشکی
طیف‌سنجی فوتوالکترون پرتو ایکس در چندین حوزه تحقیقات پزشکی تشریحی و در عمل، به عنوان مثال، در دستگاه‌های اسکن سی‌تی مدرن کاربرد پیدا می‌کند. جمع آوری طیف های جذب اشعه ایکس در طول سی تی اسکن (با استفاده از شمارش فوتون یا اسکنر طیفی) می تواند اطلاعات دقیق تری را ارائه دهد و مشخص کند که در داخل بدن چه اتفاقی می افتد، با دوزهای تابش کمتر و نیاز کمتر یا بدون نیاز به مواد کنتراست (رنگ).
