X-ray spectroscopy เป็นเทคนิคที่ตรวจจับและวัดโฟตอนหรืออนุภาคของแสงที่มีความยาวคลื่นในส่วน X-ray ของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า มันถูกใช้เพื่อช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจคุณสมบัติทางเคมีและองค์ประกอบของวัตถุ
มีวิธีสเปคโทรสโคป X-ray ที่แตกต่างกันหลายอย่างที่ใช้ในสาขาวิชาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีหลายแห่งรวมถึงโบราณคดีดาราศาสตร์และวิศวกรรม วิธีการเหล่านี้สามารถใช้อย่างอิสระหรือร่วมกันเพื่อสร้างภาพที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้นของวัสดุหรือวัตถุที่กำลังวิเคราะห์
ประวัติศาสตร์
Wilhelm Conrad Röntgenนักฟิสิกส์ชาวเยอรมันได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 2444 จากการค้นพบรังสีเอกซ์ในปี 2438 เทคโนโลยีใหม่ของเขาถูกนำไปใช้อย่างรวดเร็วโดยนักวิทยาศาสตร์และแพทย์คนอื่น ๆ
Charles Barkla นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษได้ทำการวิจัยระหว่างปี 1906 ถึง 1908 ซึ่งนำไปสู่การค้นพบของเขาว่ารังสีเอกซ์อาจเป็นลักษณะของสารเดี่ยว ๆ ผลงานของเขายังทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลในสาขาฟิสิกส์ แต่ยังไม่ถึงปี 1917
การใช้เครื่องเอ็กซเรย์รังสีเอกซ์เริ่มขึ้นก่อนหน้านี้ในปี 1912 โดยเริ่มจากทีมพ่อและลูกชายของนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษชื่อ William Henry Bragg และ William Lawrence Bragg พวกเขาใช้สเปกโทรสโกปีเพื่อศึกษาว่ารังสีเอกซ์มีปฏิกิริยาอย่างไรกับอะตอมภายในผลึก เทคนิคของพวกเขาที่เรียกว่า X-ray crystallography ได้รับการสร้างขึ้นตามมาตรฐานในภาคสนามในปีถัดไปและพวกเขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1915
X-ray spectroscopy ทำงานอย่างไร
เมื่ออะตอมไม่เสถียรหรือถูกทิ้งระเบิดด้วยอนุภาคพลังงานสูงอิเล็กตรอนจะเปลี่ยนจากระดับพลังงานหนึ่งไปอีกระดับหนึ่ง เมื่ออิเล็กตรอนถูกปรับอิลิเมนต์จะดูดซับและปลดปล่อยโฟตอนพลังงานเอ็กซ์เรย์พลังงานสูงในลักษณะของอะตอมที่ประกอบขึ้นเป็นองค์ประกอบทางเคมีนั้น ๆ X-ray spectroscopy วัดการเปลี่ยนแปลงของพลังงานซึ่งช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถระบุองค์ประกอบและเข้าใจว่าอะตอมภายในวัสดุต่าง ๆ มีปฏิกิริยาอย่างไร
มีสองเทคนิคหลัก X-ray สเปกโทรสโก: ความยาวคลื่นกระจาย X-ray สเปกโทรสโก (WDXS) และ X-ray สเปกโทรสโกปีพลังงานกระจาย (EDXS) WDXS วัดรังสีเอกซ์ของความยาวคลื่นเดียวซึ่งกระจายอยู่ในผลึก EDXS วัดการแผ่รังสี X-ray ที่ปล่อยออกมาจากอิเล็กตรอนซึ่งถูกกระตุ้นโดยแหล่งพลังงานที่มีประจุสูงของอนุภาค
ในทั้งสองเทคนิควิธีการกระจายตัวของรังสีบ่งบอกถึงโครงสร้างอะตอมของวัสดุและดังนั้นองค์ประกอบภายในวัตถุที่ถูกวิเคราะห์
แอพพลิเคชั่นมากมาย
ทุกวันนี้ X-ray spectroscopy ถูกนำมาใช้ในหลาย ๆ ด้านของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีรวมถึงโบราณคดีดาราศาสตร์วิศวกรรมและสุขภาพ
นักมานุษยวิทยาและนักโบราณคดีสามารถค้นพบข้อมูลที่ซ่อนอยู่เกี่ยวกับโบราณวัตถุและยังคงพบโดยการวิเคราะห์พวกเขาด้วย X-ray สเปกโทรสโก ตัวอย่างเช่น Lee Sharpe รองศาสตราจารย์สาขาเคมีที่ Grinnell College ใน Iowa และเพื่อนร่วมงานของเขาใช้วิธีการที่เรียกว่า X-ray fluorescence (XRF) spectroscopy เพื่อระบุที่มาของหัวลูกศรออบซิเดียนที่สร้างโดยคนยุคก่อนประวัติศาสตร์ในอเมริกาเหนือตะวันตกเฉียงใต้ ทีมตีพิมพ์ผลการศึกษาในเดือนตุลาคม 2561 ในวารสารโบราณคดีศาสตร์: รายงาน
X-ray สเปกโทรสโกยังช่วยให้นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับวิธีการทำงานของวัตถุในอวกาศ ตัวอย่างเช่นนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยวอชิงตันในเซนต์หลุยส์วางแผนที่จะสังเกตรังสีเอกซ์ที่มาจากวัตถุในจักรวาลเช่นหลุมดำเพื่อเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับลักษณะของพวกมัน ทีมนำโดย Henric Krawczynski นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์เชิงทดลองและทฤษฎีวางแผนที่จะเปิดตัวสเปคโตรมิเตอร์ X-ray ชนิดหนึ่งที่เรียกว่า X-ray polarimeter เริ่มตั้งแต่เดือนธันวาคม 2561 เครื่องมือจะถูกระงับในชั้นบรรยากาศของโลกโดยบอลลูนที่เต็มไปด้วยฮีเลียมเป็นเวลานาน
Yury Gogotsi วิศวกรเคมีและวัสดุที่ Drexel University ในรัฐเพนซิลวาเนียสร้างสเปรย์บนเสาอากาศและเยื่อกรองน้ำกลั่นด้วยวัสดุที่วิเคราะห์โดย X-ray spectroscopy
เสาอากาศแบบสเปรย์ออนที่มองไม่เห็นนั้นมีความหนาเพียงไม่กี่นาโนเมตร แต่สามารถส่งและส่งคลื่นวิทยุได้โดยตรง เทคนิคที่เรียกว่า X-ray absorption spectroscopy (XAS) ช่วยให้แน่ใจว่าองค์ประกอบของวัสดุบางอย่างไม่น่าเชื่อที่ถูกต้องและช่วยในการกำหนดค่าการนำไฟฟ้า “ จำเป็นต้องมีการนำกระแสโลหะสูงเพื่อประสิทธิภาพที่ดีของเสาอากาศดังนั้นเราจึงต้องตรวจสอบวัสดุอย่างใกล้ชิด” Gogotsi กล่าว
Gogotsi และเพื่อนร่วมงานของเขายังใช้ X-ray สเปกโตรสโคปีในการวิเคราะห์เคมีพื้นผิวของเยื่อหุ้มที่ซับซ้อนซึ่งทำให้น้ำมีค่าโดยการกรองไอออนเฉพาะเช่นโซเดียม
การใช้ X-ray spectroscopy สามารถพบได้ในหลาย ๆ ด้านของการวิจัยและการปฏิบัติทางการแพทย์เช่นในเครื่อง CT scan ที่ทันสมัย การรวบรวมสเปกตรัมการดูดกลืนรังสีเอกซ์ในระหว่างการสแกน CT (ผ่านการนับโฟตอนหรือสแกนเนอร์ CT สเปกตรัม) สามารถให้ข้อมูลรายละเอียดเพิ่มเติมและความเปรียบต่างเกี่ยวกับสิ่งที่เกิดขึ้นภายในร่างกายด้วยปริมาณรังสีที่ลดลงจากรังสีเอกซ์และไม่จำเป็นต้องใช้ วัสดุที่แตกต่าง (สีย้อม) ตามที่ Phuong-Anh ต. Duong ผู้อำนวยการ CT ที่ Emory University ภาควิชารังสีวิทยาและวิทยาศาสตร์การถ่ายภาพในจอร์เจีย
ต่อไป การอ่าน:
- อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับ X-ray Imaging Explorer ของ NASA.
- เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับ X-ray และ Spectroscopy การสูญเสียพลังงานจากห้องปฏิบัติการพลังงานทดแทนแห่งชาติ
- ลองดูแผนการสอนชุดนี้เกี่ยวกับสเปคโทรสโคป X-ray ของดาวจาก NASA
