Röntgenspektroskopie ist eine Technik, die Photonen oder Lichtteilchen mit Wellenlängen im Röntgenbereich des elektromagnetischen Spektrums erfasst und misst. Es wird verwendet, um Wissenschaftlern zu helfen, die chemischen und elementaren Eigenschaften eines Objekts zu verstehen.
Es gibt verschiedene Röntgenspektroskopiemethoden, die in vielen Disziplinen der Wissenschaft und Technologie eingesetzt werden, einschließlich Archäologie, Astronomie und Ingenieurwesen. Diese Methoden können unabhängig voneinander oder zusammen verwendet werden, um ein vollständigeres Bild des zu analysierenden Materials oder Objekts zu erstellen.
Geschichte
Der deutsche Physiker Wilhelm Conrad Röntgen erhielt 1901 den ersten Nobelpreis für Physik für seine Entdeckung von Röntgenstrahlen im Jahr 1895. Seine neue Technologie wurde laut dem SLAC National Accelerator Laboratory schnell von anderen Wissenschaftlern und Ärzten eingesetzt.
Charles Barkla, ein britischer Physiker, führte zwischen 1906 und 1908 Forschungen durch, die zu seiner Entdeckung führten, dass Röntgenstrahlen für einzelne Substanzen charakteristisch sein könnten. Seine Arbeit brachte ihm auch einen Nobelpreis für Physik ein, jedoch erst 1917.
Die Verwendung der Röntgenspektroskopie begann tatsächlich etwas früher, im Jahr 1912, beginnend mit einem Vater-Sohn-Team der britischen Physiker William Henry Bragg und William Lawrence Bragg. Sie verwendeten Spektroskopie, um zu untersuchen, wie Röntgenstrahlung mit Atomen in Kristallen wechselwirkt. Ihre als Röntgenkristallographie bezeichnete Technik wurde im folgenden Jahr zum Standard auf diesem Gebiet und sie erhielten 1915 den Nobelpreis für Physik.
Wie Röntgenspektroskopie funktioniert
Wenn ein Atom instabil ist oder mit energiereichen Teilchen bombardiert wird, wechseln seine Elektronen von einem Energieniveau zum anderen. Während sich die Elektronen anpassen, absorbiert und setzt das Element hochenergetische Röntgenphotonen auf eine Weise frei, die für Atome charakteristisch ist, aus denen dieses bestimmte chemische Element besteht. Die Röntgenspektroskopie misst diese Energieänderungen, wodurch Wissenschaftler Elemente identifizieren und verstehen können, wie die Atome in verschiedenen Materialien interagieren.
Es gibt zwei Haupttechniken für die Röntgenspektroskopie: die wellenlängendispersive Röntgenspektroskopie (WDXS) und die energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDXS). WDXS misst die Röntgenstrahlen einer einzelnen Wellenlänge, die von einem Kristall gebeugt werden. EDXS misst die Röntgenstrahlung von Elektronen, die von einer hochenergetischen Quelle geladener Teilchen stimuliert werden.
Bei beiden Techniken zeigt die Verteilung der Strahlung die atomare Struktur des Materials und damit die Elemente innerhalb des zu analysierenden Objekts an.
Mehrere Anwendungen
Heute wird die Röntgenspektroskopie in vielen Bereichen der Wissenschaft und Technologie eingesetzt, einschließlich Archäologie, Astronomie, Ingenieurwesen und Gesundheit.
Anthropologen und Archäologen können verborgene Informationen über die antiken Artefakte und Überreste entdecken, indem sie sie mit Röntgenspektroskopie analysieren. Zum Beispiel verwendeten Lee Sharpe, außerordentlicher Professor für Chemie am Grinnell College in Iowa, und seine Kollegen eine Methode namens Röntgenfluoreszenzspektroskopie (XRF), um den Ursprung von Obsidianpfeilspitzen zu identifizieren, die von prähistorischen Menschen im nordamerikanischen Südwesten hergestellt wurden. Das Team veröffentlichte seine Ergebnisse im Oktober 2018 im Journal of Archaeological Science: Reports.
Die Röntgenspektroskopie hilft Astrophysikern auch dabei, mehr über die Funktionsweise von Objekten im Weltraum zu erfahren. Zum Beispiel planen Forscher der Washington University in St. Louis, Röntgenstrahlen von kosmischen Objekten wie Schwarzen Löchern zu beobachten, um mehr über ihre Eigenschaften zu erfahren. Das Team unter der Leitung von Henric Krawczynski, einem experimentellen und theoretischen Astrophysiker, plant die Einführung eines Röntgenspektrometers namens Röntgenpolarimeter. Ab Dezember 2018 wird das Instrument an einem mit Helium gefüllten Langzeitballon in der Erdatmosphäre aufgehängt.
Yury Gogotsi, Chemiker und Materialingenieur an der Drexel University in Pennsylvania, stellt Sprühantennen und Wasserentsalzungsmembranen mit röntgenspektroskopisch analysierten Materialien her.
Die unsichtbaren Sprühantennen sind nur wenige Dutzend Nanometer dick, können jedoch Funkwellen senden und lenken. Eine als Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) bezeichnete Technik hilft sicherzustellen, dass die Zusammensetzung des unglaublich dünnen Materials korrekt ist, und hilft bei der Bestimmung der Leitfähigkeit. "Für eine gute Leistung der Antennen ist eine hohe metallische Leitfähigkeit erforderlich, daher müssen wir das Material genau überwachen", sagte Gogotsi.
Gogotsi und seine Kollegen verwenden auch Röntgenspektroskopie, um die Oberflächenchemie komplexer Membranen zu analysieren, die Wasser durch Herausfiltern bestimmter Ionen wie Natrium entsalzen.
Der Einsatz der Röntgenspektroskopie findet sich auch in verschiedenen Bereichen der medizinischen Forschung und Praxis, beispielsweise in modernen CT-Scannern. Das Sammeln von Röntgenabsorptionsspektren während CT-Scans (über Photonenzählung oder spektralen CT-Scanner) kann detailliertere Informationen und Kontraste darüber liefern, was im Körper vor sich geht, mit geringeren Strahlungsdosen der Röntgenstrahlen und weniger oder keiner Verwendung Kontrastmittel (Farbstoffe), so Phuong-Anh T. Duong, CT-Direktor am Institut für Radiologie und Bildgebende Wissenschaften der Emory University in Georgia.
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