Рентген нурлары өтө кыска толкун узундугунан ашкан нурлануу сыяктуу бир катар уникалдуу касиеттерге ээ. Алардын илим үчүн маанилүү касиеттеринин бири элементардык тандоо. Татаал молекулалардын уникалдуу жерлеринде жайгашкан айрым элементтердин спектрлерин тандап жана изилдеп, биз локализацияланган "атомдук сенсорго" ээ болдук. Бул атомдорду жарык менен дүүлүккөндөн кийин ар кандай убакыттарда изилдеп, өтө татаал системалардагы да электрондук жана структуралык өзгөрүүлөрдүн өнүгүшүн байкай алабыз, же башкача айтканда, электронду молекула жана интерфейстер аркылуу ээрчий алабыз.
Тарых
Рентгенографиянын ойлоп табуучусу Вильгельм Конрад Рентген болгон. Бир жолу илимпоз ар кандай материалдардын нурларды токтотуу жөндөмдүүлүгүн изилдеп жатканда, разряд болуп жаткан учурда коргошундун кичинекей бир бөлүгүн койгон. ОшентипОшентип, Рентген барий платиноцианидинин экранынан өзүнүн жаркыраган арбак скелетинин биринчи рентген сүрөтүн көрдү. Кийинчерээк ал так ушул учурда эксперименттерин жашыруун улантууну чечкенин билдирди, анткени анын байкоолору жаңылыш болуп калса, өзүнүн профессионалдык репутациясынан корккон. Немис окумуштуусу 1895-жылы рентген нурларын ачкандыгы үчүн физика боюнча биринчи Нобель сыйлыгын 1901-жылы алган. SLAC Улуттук Accelerator Laboratory ылайык, анын жаңы технологиясы башка илимпоздор жана дарыгерлер тарабынан бат эле кабыл алынган.
Чарльз Баркла, британиялык физик, 1906-1908-жылдары изилдөө жүргүзүп, рентген нурлары кээ бир заттарга мүнөздүү болушу мүмкүн экенин ачкан. Анын эмгеги физика боюнча Нобель сыйлыгын да алган, бирок 1917-жылы гана.
Рентген спектроскопиясын колдонуу чындыгында бир аз эртерээк, 1912-жылы британ физиктери Уильям Генри Брагг менен Уильям Лоуренс Браггдын атасы менен баласы кызматташтыгынан башталган. Алар кристаллдардын ичиндеги атомдор менен рентген нурларынын өз ара аракеттенүүсүн изилдөө үчүн спектроскопияны колдонушкан. Алардын рентгендик кристаллография деп аталган техникасы кийинки жылы бул тармакта стандарт болуп, 1915-жылы физика боюнча Нобель сыйлыгын алышкан.
Иште
Акыркы жылдары рентген спектрометриясы ар кандай жаңы жана кызыктуу жолдор менен колдонулууда. Марстын бетинде чогултуучу рентген спектрометри бартопуракты түзгөн элементтер жөнүндө маалымат. Нурлардын күчү оюнчуктардагы коргошун боёкторун аныктоо үчүн колдонулуп, коргошун менен уулануу коркунучун азайткан. Илим менен искусствонун өнөктөштүгү музейлерде коллекцияларга зыян келтире турган элементтерди аныктоо үчүн колдонулганда радиографияны колдонуудан көрүүгө болот.
Иштөө принциптери
Атом туруксуз болгондо же жогорку энергиялуу бөлүкчөлөр менен бомбаланганда, анын электрондору энергия деңгээли ортосунда секирип кетет. Электрондор туураланганда, элемент ошол химиялык элементти түзгөн атомдорго мүнөздүү түрдө жогорку энергиялуу рентген фотондорун сиңирип алат жана чыгарат. Рентген спектроскопиясы менен энергиянын термелүүсүн аныктоого болот. Бул бөлүкчөлөрдү аныктоого жана ар кандай чөйрөлөрдөгү атомдордун өз ара аракеттешүүсүн көрүүгө мүмкүндүк берет.
Рентген спектроскопиясынын эки негизги ыкмасы бар: толкун узундуктагы дисперсиялык (WDXS) жана энергиялык дисперсиялык (EDXS). WDXS кристаллда дифракцияланган бир толкун узундуктагы рентген нурларын өлчөйт. EDXS заряддуу бөлүкчөлөрдүн жогорку энергиялуу булагы тарабынан стимулданган электрондор тарабынан чыгарылган рентген нурларын өлчөйт.
Рентген спектроскопиясынын анализи нурланууну бөлүштүрүүнүн эки методунда тең материалдын атомдук түзүлүшүн жана демек, анализделген объекттин ичиндеги элементтерди көрсөтөт.
Рентгенографиялык техника
Электрондук спектрдин рентгендик жана оптикалык спектроскопиясынын бир нече түрдүү ыкмалары бар, алар илим менен техниканын көптөгөн тармактарында,анын ичинде археология, астрономия жана инженерия. Бул ыкмалар өз алдынча же чогуу колдонулуп, анализделген материалдын же объекттин толук сүрөтүн түзсө болот.
WDXS
Рентген фотоэлектрондук спектроскопиясы (WDXS) - изилденүүчү материалдын бетиндеги бир катар бөлүктөрдүн диапазонундагы элементардык курамды өлчөөчү, ошондой эле эмпирикалык формуланы, химиялык абалын жана материалда бар элементтердин электрондук абалы. Жөнөкөй сөз менен айтканда, WDXS пайдалуу өлчөө ыкмасы, анткени ал пленканын ичинде кандай функциялар бар экенин гана эмес, ошондой эле иштетилгенден кийин кандай өзгөчөлүктөр пайда болоорун көрсөтөт.
Рентген спектрлери материалды рентген шооласы менен нурландырууда, ошол эле учурда кинетикалык энергияны жана анализденүүчү материалдын 0-10 нм жогорку бөлүгүнөн чыккан электрондордун санын өлчөө жолу менен алынат. WDXS жогорку вакуумдук (P ~ 10-8 миллибар) же өтө жогорку вакуумдук (UHV; P <10-9 миллибар) шарттарды талап кылат. Атмосфералык басымдагы WDXS учурда иштелип жатат, анда үлгүлөр бир нече ондогон миллибар басымда талданат.
ESCA (Химиялык анализ үчүн рентген-электрондук спектроскопия) бул техника берген химиялык (элементтик эмес) маалыматты баса белгилөө үчүн Кай Сигбандын изилдөө тобу тарабынан иштелип чыккан кыскартылган аббревиатура. Иш жүзүндө типтүү лабораториялык булактарды колдонуу мененРентген нурлары, XPS атомдук номери (Z) 3 (литий) жана андан жогору болгон бардык элементтерди аныктайт. Ал суутекти (Z=1) же гелийди (Z=2) оңой аныктай албайт.
EDXS
Энергиялык дисперсиялык рентген спектроскопиясы (EDXS) – сканерлөөчү электрондук микроскопия (SEM) менен бирге колдонулган химиялык микроанализ ыкмасы. EDXS методу анализденген көлөмдүн элементардык курамын мүнөздөш үчүн электрондук нур менен бомбалоодо үлгү чыгарган рентген нурларын аныктайт. 1 мкм сыяктуу кичинекей элементтерди же фазаларды анализдөөгө болот.
Үлгү SEM электрон шооласы менен бомбаланганда үлгүнүн бетин түзгөн атомдордон электрондор чыгарылат. Пайда болгон электрон боштуктары жогорку абалдагы электрондор менен толуп, эки электрондун абалынын ортосундагы энергия айырмасын тең салмактоо үчүн рентген нурлары чыгарылат. Рентген нурларынын энергиясы ал чыккан элементке мүнөздүү.
EDXS рентген детектору алардын энергиясына жараша бөлүнүп чыккан нурлардын салыштырмалуу санын өлчөйт. Детектор адатта кремний дрейф литий катуу абалдагы түзүлүш болуп саналат. Түскөн рентген шооласы детекторго тийгенде, рентген нурунун энергиясына пропорционалдуу заряд импульсун жаратат. Заряддын импульсу зарядка сезгич алдын ала күчөткүчтүн жардамы менен чыңалуу импульсуна (рентген нурларынын энергиясына пропорционалдуу бойдон калууда) айланат. Андан кийин сигнал импульстар чыңалуу боюнча сорттолгон көп каналдуу анализаторго жөнөтүлөт. Ар бир инцидент рентген үчүн чыңалуу өлчөөсүнөн аныкталган энергия маалыматтарды көрсөтүү жана андан ары баалоо үчүн компьютерге жөнөтүлөт. Рентген нурларынын энергия спектринин санга каршы көрсөткүчү үлгү өлчөмүнүн элементардык курамын аныктоо үчүн эсептелет.
XRF
Рентген-флуоресценттик спектроскопия (XRF) тектердин, минералдардын, чөкмөлөрдүн жана суюктуктардын кадимки, салыштырмалуу кыйратпаган химиялык анализи үчүн колдонулат. Бирок, XRF, адатта, кичинекей так өлчөмдөрдө (2-5 микрон) талдай албайт, ошондуктан, адатта, геологиялык материалдардын ири фракцияларынын жапырт анализи үчүн колдонулат. Үлгүлөрдү даярдоонун салыштырмалуу жеңилдиги жана арзандыгы, ошондой эле рентген-спектрометрлердин туруктуулугу жана колдонуудагы жеңилдиги бул ыкманы тоо тектериндеги, минералдардагы жана чөкмөлөрдөгү негизги микроэлементтерди анализдөө үчүн эң кеңири колдонулган ыкмалардын бирине айландырат.
XRF XRF физикасы үлгүлөрдөгү электрон нурлары менен рентген нурларынын өз ара аракеттенүүсүн камтыган бир нече башка аспаптык техникалар үчүн жалпы болгон фундаменталдык принциптерге, анын ичинде SEM-EDS, дифракция (XRD) жана толкун узундугу сыяктуу радиографиялык техникаларга көз каранды. дисперсиялык радиография (микрозонд WDS).
Геологиялык материалдардагы негизги микроэлементтерди XRF аркылуу талдоо атомдордун нурлануу менен өз ара аракеттенүүсүнө байланыштуу мүмкүн. Качан материалдарЖогорку энергиялуу кыска толкун нурлануу (мисалы, рентген нурлары) менен козголуп, иондоштурулуп кетиши мүмкүн. Эгерде катуу кармаган ички электронду чыгаруу үчүн жетиштүү нурлануу энергиясы болсо, атом туруксуз болуп, сырткы электрон жетишпеген ички электрондун ордуна келет. Бул болгондо, энергия сырткыга салыштырмалуу ички электрон орбиталынын кыскартылган байланыш энергиясынан улам бөлүнүп чыгат. Радиациянын энергиясы негизги рентген нуруна караганда азыраак жана флуоресценттик деп аталат.
XRF спектрометри иштейт, анткени үлгү түшкөн нур деп аталган интенсивдүү рентген нуру менен жарыктандырылса, энергиянын бир бөлүгү чачырап кетет, бирок бир бөлүгү да үлгүдө сиңет, бул анын химиялык курамына жараша болот. курамы.
XAS
Рентген нурларынын абсорбциялык спектроскопиясы (XAS) – металлдын негизги электрондук абалынан дүүлүккөн электрондук абалга (LUMO) жана континуумга өтүүнү өлчөө; биринчиси рентген нурларынын абсорбциясынын жакын структурасы (XANES) жана экинчиси рентген нурларынын кеңейген абсорбциясынын жакшы структурасы (EXAFS) катары белгилүү, ал электрондорду чыгаруу босогосунан жогору энергияларда жутулуунун жакшы структурасын изилдейт. Бул эки ыкма кошумча структуралык маалымат менен камсыз кылат, XANES спектрлери металл сайтынын электрондук түзүлүшүн жана симметриясын жана EXAFS сиңирүү элементинен лиганддарга жана кошуна атомдорго сандарды, типтерди жана аралыктарды билдирет.
XAS протеин матрицасы, суу же аба тарабынан сиңирилишине тоскоолдук кылбастан, кызыктырган элементтин жергиликтүү түзүлүшүн изилдөөгө мүмкүндүк берет. Бирок, металлоферменттердин рентген спектроскопиясы үлгүдөгү кызыктырган элементтин салыштырмалуу аз концентрациясына байланыштуу кыйынчылык жаратты. Мындай учурда, стандарттык ыкма өткөрүүнү аныктоо режимин колдонуунун ордуна абсорбциялык спектрлерди аныктоо үчүн рентген флуоресценциясын колдонуу болгон. Синхротрондук нурлануунун үчүнчү муундагы интенсивдүү рентген булактарын иштеп чыгуу суюлтулган үлгүлөрдү изилдөөгө да мүмкүндүк берди.
Металл комплекстери, белгилүү структуралары бар моделдер катары, металлопротеиндердин XAS түшүнүү үчүн абдан маанилүү болгон. Бул комплекстер координациялоочу чөйрөнүн (координациялык заряддын) сиңирүү кырынын энергиясына таасирин баалоо үчүн негиз түзөт. Структуралык жактан жакшы мүнөздөлгөн моделдик комплекстерди изилдөө ошондой эле белгисиз структурадагы металл системаларынан EXAFS түшүнүү үчүн эталонду берет.
XASтын рентгендик кристаллографияга караганда олуттуу артыкчылыгы – кызыккан элементтин тегерегиндеги жергиликтүү структуралык маалыматты порошок жана эритме сыяктуу тартипсиз үлгүлөрдөн да алууга болот. Бирок, мембраналар жана монокристаллдар сыяктуу буйрутма үлгүлөр көбүнчө XASдан алынган маалыматты көбөйтөт. Багытталган монокристаллдар же иреттелген мембраналар үчүн дихроизмди өлчөөлөрдөн атом аралык вектордук ориентацияларды аныктоого болот. Бул ыкмалар кластердик структураларды аныктоо үчүн өзгөчө пайдалуу.кычкылтек чыгаруучу фотосинтетикалык комплексте суунун кычкылданышы менен байланышкан Mn4Ca кластери сыяктуу көп ядролуу металлдар. Мындан тышкары, суунун кычкылдануу реакциясынын циклиндеги S-статтары деп аталган ортоңку абалдардын ортосундагы өтүү менен байланышкан геометриянын/түзүмдүн анча чоң эмес өзгөрүүлөрүн XAS аркылуу оңой аныктоого болот.
Колдонмолор
Рентген спектроскопия ыкмалары археология, антропология, астрономия, химия, геология, инженерия жана коомдук саламаттыкты сактоо сыяктуу илимдин көптөгөн тармактарында колдонулат. Анын жардамы менен сиз байыркы экспонаттар жана калдыктар тууралуу жашыруун маалыматтарды таба аласыз. Мисалы, Айова штатындагы Гринелл колледжинин химия кафедрасынын доценти Ли Шарп жана кесиптештери XRF аркылуу Түндүк Американын түштүк-батышындагы тарыхка чейинки адамдар жасаган жебе учтарынын келип чыгышына көз салышты.
Астрофизиктер рентген спектроскопиясынын аркасында космостогу объектилердин иштеши жөнүндө көбүрөөк биле алышат. Маселен, Сент-Луисдеги Вашингтон университетинин изилдөөчүлөрү кара тешиктер сыяктуу космостук объекттердин рентген нурларына байкоо жүргүзүүнү пландаштырып, алардын өзгөчөлүктөрү тууралуу көбүрөөк билүү үчүн. Эксперименталдык жана теориялык астрофизик Генрик Кравчинский жетектеген топ рентген поляриметри деп аталган рентген спектрометрин чыгарууну пландаштырууда. 2018-жылдын декабрынан баштап аспап жердин атмосферасында гелий толтурулган шар менен узак убакытка илинген.
Юрий Гогоци, химик жана инженер,Пенсильваниядагы Дрексел университети рентген спектроскопиясы менен анализделген материалдардан тузсуздандыруу үчүн чачыраган антенналарды жана мембраналарды түзөт.
Көрүнбөгөн чачыраган антенналардын калыңдыгы бир нече ондогон нанометрге гана жетет, бирок радио толкундарын өткөрүп жана башкара алат. XAS техникасы укмуштуудай жука материалдын курамынын туура болушун камсыз кылууга жардам берет жана өткөргүчтүктү аныктоого жардам берет. "Антенналар жакшы иштеши үчүн жогорку металл өткөрүмдүүлүктү талап кылат, андыктан биз материалга кылдат көз салышыбыз керек" деди Гогоци.
Гоготци жана кесиптештери ошондой эле натрий сыяктуу спецификалык иондорду чыпкалоо аркылуу сууну тузсуздандыруучу татаал мембраналардын беттик химиясын анализдөө үчүн спектроскопияны колдонушат.
Медицинада
Рентген-фотоэлектрондук спектроскопия анатомиялык медициналык изилдөөлөрдүн бир нече тармагында жана практикада, мисалы, заманбап КТ сканерлөө машиналарында колдонулат. КТ учурунда рентген нурларын жутуу спектрин чогултуу (фотондорду эсептөө же спектрдик сканерди колдонуу) менен кененирээк маалымат берип, дененин ичинде эмне болуп жатканын, нурлануунун аз дозалары жана контрасттык материалдардын (боёктордун) кереги жок же азыраак болушу мүмкүн.
