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Quelle est spectroscopie aux rayons X ?

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La spectroscopie aux rayons X est une technique qui détecte et mesure des photons, ou des particules de lumière, qui ont des longueurs d'onde dans la partie de rayon X du spectre électromagnétique. Elle aidait des scientifiques à comprendre les propriétés chimiques et élémentaires d'un objet.

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Il y a plusieurs différentes méthodes de spectroscopie aux rayons X qui sont employées dans beaucoup de disciplines de la science et technologie, y compris l'archéologie, l'astronomie et l'ingénierie. Ces méthodes peuvent être employées indépendamment ou ensemble créer une image plus complète du matériel ou de l'objet étant analysé.

Histoire

Wilhelm Conrad Röntgen, un physicien allemand, a été attribué le premier prix Nobel dans la physique en 1901 pour sa découverte des rayons X en 1895. Sa nouvelle technologie a été rapidement mise pour employer par d'autres scientifiques et médecins, selon le laboratoire national d'accélérateur de SLAC.

Charles Barkla, un physicien britannique, a conduit la recherche entre 1906 et 1908 qui ont mené à sa découverte que les rayons X pourraient être caractéristique de différentes substances. Son travail lui a également gagné un prix Nobel dans la physique, mais pas jusqu'à l'en 1917.

L'utilisation de la spectroscopie aux rayons X réellement a commencé un peu plus tôt, en 1912, commençant par une équipe de père-et-fils de physiciens, de William Henry Bragg et de William Lawrence Bragg britanniques. Ils avaient l'habitude la spectroscopie pour étudier comment le rayonnement de rayon X a agi l'un sur l'autre avec des atomes dans des cristaux. Leur technique, a appelé la cristallographie de rayon X, a été faite à la norme dans le domaine par l'année suivante et ils ont gagné le prix Nobel dans la physique en 1915.

Comment travaux de spectroscopie aux rayons X

Quand un atome est instable ou est bombardé avec les particules de grande énergie, sa transition d'électrons d'une force à l'autre. Pendant que les électrons s'ajustent, l'élément absorbe et libère les photons de grande énergie de rayon X d'une manière dont est caractéristique des atomes qui composent qu'élément chimique particulier. La spectroscopie aux rayons X mesure ces changements de l'énergie, qui permet à des scientifiques d'identifier des éléments et de comprendre comment les atomes dans de divers matériaux agissent l'un sur l'autre.

Il y a deux techniques principales de spectroscopie aux rayons X : spectroscopie aux rayons X longueur d'onde-dispersive (WDXS) et spectroscopie aux rayons X énergie-dispersive (EDXS). WDXS mesure les rayons X d'une longueur d'onde simple qui sont diffractés par un cristal. EDXS mesure le rayonnement de rayon X émis par des électrons stimulés par une source de grande énergie des particules chargées.

Dans les deux techniques, comment le rayonnement est dispersé indique la structure atomique du matériel et donc, les éléments dans l'objet étant analysé.

Applications multiples

Aujourd'hui, la spectroscopie aux rayons X est employée dans beaucoup de secteurs scientifiques la science et technologie, y compris l'archéologie, l'astronomie, l'ingénierie et la santé.

Les anthropologues et les archéologues peuvent découvrir des informations cachées sur les objets façonnés et les restes antiques qu'ils trouvent en les analysant avec la spectroscopie aux rayons X. Par exemple, Lee Sharpe, professeur agrégé de chimie à l'université de Grinnell en Iowa, et ses collègues, avait l'habitude une méthode appelée la spectroscopie de la fluorescence de rayon X (XRF) pour identifier l'origine des pointes de flèche d'obsidien faites par les personnes préhistoriques dans le sud-ouest nord-américain.

La spectroscopie aux rayons X aide également des astrophysiciens à apprendre plus au sujet de la façon dont des objets dans le travail de l'espace. Par exemple, chercheurs de Washington University dans le plan de St Louis pour observer les rayons X qui viennent des objets cosmiques, tels que les trous noirs, pour apprendre plus au sujet de leurs caractéristiques. L'équipe, menée par Henric Krawczynski, un astrophysicien expérimental et théorique, plans lancer un type de spectromètre de rayon X a appelé un polarimètre de rayon X. Commençant en décembre 2018, l'instrument sera suspendu en atmosphère terrestre par une long-durée, ballon rempli d'hélium.

Yury Gogotsi, un chimiste et l'ingénieur de matériaux à l'université de Drexel en Pennsylvanie, crée les antennes en bombe et les membranes d'eau-dessalement avec des matériaux analysés par spectroscopie aux rayons X.

Les antennes en bombe invisibles sont seulement quelques douzaine nanomètres épais mais peuvent transmettre et diriger les ondes radio. Une technique a appelé des aides de la spectroscopie d'absorption de rayon X (XAS) pour s'assurer que la composition du matériel incroyablement mince est correcte et aide à déterminer la conductivité. « La conductivité métallique élevée est exigée pour la bonne représentation des antennes, ainsi nous devons attentivement suivre le matériel, » Gogotsi a dit.

Gogotsi et ses collègues emploient également la spectroscopie aux rayons X pour analyser la chimie extérieure des membranes complexes qui dessalent l'eau en filtrant les ions spécifiques, tels que le sodium.

L'utilisation de la spectroscopie aux rayons X peut également être trouvée dans plusieurs secteurs de recherche médicale et de pratique, comme dans des machines modernes de balayage de CT. Le rassemblement des spectres d'absorption de rayon X pendant les balayages de CT (par l'intermédiaire du compte de photon ou du scanner spectral de CT) peut fournir plus d'informations détaillées et de contraste au sujet de ce qui continue à l'intérieur du corps, avec les doses de rayonnement inférieures des rayons X et moins ou aucun besoin d'employer des matériaux de contraste (colorants), selon Phuong-Anh T. Duong, directeur de CT chez Emory University Department de la radiologie et des sciences de représentation en Géorgie.