X-ışını spektroskopisi, elektromanyetik spektrumun X-ışını bölümünde dalga boylarına sahip fotonları veya ışık parçacıklarını tespit eden ve ölçen bir tekniktir. Bilim adamlarının bir nesnenin kimyasal ve elementsel özelliklerini anlamalarına yardımcı olmak için kullanılır.
Arkeoloji, astronomi ve mühendislik de dahil olmak üzere bilim ve teknolojinin birçok alanında kullanılan birçok farklı X-ışını spektroskopisi yöntemi vardır. Bu yöntemler, analiz edilen malzemenin veya nesnenin daha eksiksiz bir resmini oluşturmak için bağımsız olarak veya birlikte kullanılabilir.
Tarih
Alman fizikçi Wilhelm Conrad Röntgen, 1895'te X-ışınlarını keşfettiği için 1901'de fizik dalında ilk Nobel Ödülü'ne layık görüldü. SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı'na göre yeni teknolojisi hızla diğer bilim adamları ve doktorlar tarafından kullanılmaya başlandı.
İngiliz fizikçi Charles Barkla, 1906 ve 1908 yılları arasında X-ışınlarının tek tek maddelerin karakteristiği olabileceğini keşfetmesine yol açan bir araştırma yaptı. Çalışmaları ayrıca ona fizik dalında Nobel Ödülü kazandı, ancak 1917'ye kadar değil.
X-ışını spektroskopisinin kullanımı aslında 1912'de İngiliz fizikçiler William Henry Bragg ve William Lawrence Bragg'den bir baba ve oğul ekibiyle başlayarak biraz daha erken başladı. X-ışını radyasyonunun kristaller içindeki atomlarla nasıl etkileşime girdiğini incelemek için spektroskopi kullandılar. X-ışını kristalografisi adı verilen teknikleri ertesi yıl bu alanda standart hale getirildi ve 1915'te fizikte Nobel Ödülü'nü kazandılar.
X-ışını spektroskopisi nasıl çalışır?
Bir atom kararsız olduğunda veya yüksek enerjili parçacıklarla bombardımana tutulduğunda, elektronları bir enerji seviyesinden diğerine geçer. Elektronlar ayarlandıkça, eleman yüksek enerjili X-ışını fotonlarını belirli bir kimyasal elementi oluşturan atomların karakteristiği şekilde emer ve serbest bırakır. X-ışını spektroskopisi, enerjideki bu değişiklikleri ölçer, bu da bilim insanlarının elemanları tanımlamasına ve çeşitli malzemelerdeki atomların nasıl etkileşime girdiğini anlamalarına olanak tanır.
İki ana X-ışını spektroskopisi tekniği vardır: dalga boyu dağıtıcı X-ışını spektroskopisi (WDXS) ve enerji dağıtıcı X-ışını spektroskopisi (EDXS). WDXS, bir kristal tarafından kırılan tek bir dalga boyunun X-ışınlarını ölçer. EDXS, yüksek enerjili yüklü parçacıklar tarafından uyarılan elektronların yaydığı X ışını radyasyonunu ölçer.
Her iki teknikte de radyasyonun nasıl dağıldığı malzemenin atomik yapısını ve dolayısıyla analiz edilen nesne içindeki elementleri gösterir.
Birden fazla uygulama
Günümüzde X-ışını spektroskopisi, arkeoloji, astronomi, mühendislik ve sağlık dahil olmak üzere bilim ve teknolojinin birçok alanında kullanılmaktadır.
Antropologlar ve arkeologlar, X-ışını spektroskopisi ile analiz ederek eski eserler ve buldukları kalıntılar hakkında gizli bilgileri keşfedebilirler. Örneğin, Iowa'daki Grinnell College'da kimya profesörü Lee Sharpe ve meslektaşları, Kuzey Amerika Güneybatı'nda tarih öncesi insanların yaptığı obsidyen ok uçlarının kökenini tanımlamak için X-ışını floresan (XRF) spektroskopisi adı verilen bir yöntem kullandılar. Ekip sonuçlarını Ekim 2018'de Arkeoloji Bilimi: Raporlar'da yayınladı.
X-ışını spektroskopisi astrofizikçilerin uzaydaki nesnelerin nasıl çalıştığı hakkında daha fazla bilgi edinmelerine yardımcı olur. Örneğin, St. Louis'deki Washington Üniversitesi'nden araştırmacılar, kara delikler gibi kozmik nesnelerden gelen X-ışınlarını, özellikleri hakkında daha fazla bilgi edinmek için gözlemlemeyi planlıyorlar. Deneysel ve teorik bir astrofizikçi olan Henric Krawczynski liderliğindeki ekip, bir X-ışını polarimetre adı verilen bir X-ışını spektrometresi başlatmayı planlıyor. Aralık 2018'den başlayarak, enstrüman Dünya atmosferinde uzun süreli, helyum dolu bir balon tarafından askıya alınacak.
Pennsylvania'daki Drexel Üniversitesi'nde kimyager ve malzeme mühendisi olan Yury Gogotsi, X-ışını spektroskopisi ile analiz edilen malzemelerle sprey antenler ve su tuzdan arındırma membranları oluşturur.
Görünmez püskürtmeli antenler sadece birkaç düzine nanometre kalınlığındadır, ancak radyo dalgalarını iletebilir ve yönlendirebilir. X-ışını emme spektroskopisi (XAS) adı verilen bir teknik, inanılmaz derecede ince malzemenin bileşiminin doğru olmasını sağlamaya yardımcı olur ve iletkenliği belirlemeye yardımcı olur. “Antenlerin iyi performansı için yüksek metalik iletkenlik gereklidir, bu nedenle malzemeyi yakından izlemeliyiz,” dedi Gogotsi.
Gogotsi ve meslektaşları, sodyum gibi spesifik iyonları filtreleyerek suyun tuzunu gideren kompleks membranların yüzey kimyasını analiz etmek için X-ışını spektroskopisini kullanırlar.
X-ışını spektroskopisinin kullanımı, modern CT tarama makinelerinde olduğu gibi, tıbbi araştırma ve uygulamanın çeşitli alanlarında da bulunabilir. CT taramaları sırasında X-ışını emme spektrumlarının toplanması (foton sayımı veya spektral CT tarayıcı yoluyla), X ışını kaynaklı daha düşük radyasyon dozları ve daha az veya kullanmaya gerek kalmadan, vücudun içinde olup bitenler hakkında daha ayrıntılı bilgi ve kontrast sağlayabilir. Georgia'daki Emory Üniversitesi Radyoloji ve Görüntüleme Bilimleri Bölümü CT Müdürü Phuong-Anh T. Duong'a göre kontrast maddeler (boyalar).
Daha ileri okuma:
- NASA'nın Görüntüleme X-Ray Polarimetresi Explorer hakkında devamını oku.
- Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı'ndan X-ışını ve Enerji Kaybı Spektroskopisi hakkında daha fazla bilgi edinin.
- NASA'dan yıldızların X-ışını spektroskopisi hakkındaki bu dizi ders planına göz atın.
