Mionzi ya eksirei ina sifa kadhaa za kipekee kama mionzi inayopita zaidi ya urefu wake mfupi wa mawimbi. Mojawapo ya mali zao muhimu kwa sayansi ni uteuzi wa kimsingi. Kwa kuchagua na kuchunguza spectra ya vipengele vya mtu binafsi ambavyo viko katika maeneo ya kipekee katika molekuli tata, tuna "sensor ya atomiki" ya ndani. Kwa kuchunguza atomi hizi kwa nyakati tofauti baada ya msisimko wa muundo kwa mwanga, tunaweza kufuatilia maendeleo ya mabadiliko ya elektroniki na miundo hata katika mifumo ngumu sana, au, kwa maneno mengine, tunaweza kufuata elektroni kupitia molekuli na kupitia interfaces.
Historia
Mvumbuzi wa radiografia alikuwa Wilhelm Conrad Röntgen. Wakati mmoja, mwanasayansi alipokuwa akichunguza uwezo wa nyenzo mbalimbali za kusimamisha miale, aliweka kipande kidogo cha risasi katika nafasi wakati kutokwa kunafanyika. Kwa hiyoKwa hivyo, Roentgen aliona picha ya kwanza ya eksirei, mifupa yake ya roho iliyokuwa inameta kwenye skrini ya bariamu platinocyanide. Baadaye aliripoti kwamba ilikuwa wakati huu ambapo aliamua kuendelea na majaribio yake kwa siri kwa sababu alihofia sifa yake ya kitaaluma ikiwa uchunguzi wake ulikuwa na makosa. Mwanasayansi wa Ujerumani alitunukiwa Tuzo ya kwanza ya Nobel ya Fizikia mwaka wa 1901 kwa ugunduzi wa X-rays mwaka wa 1895. Kulingana na SLAC National Accelerator Laboratory, teknolojia yake mpya ilikubaliwa haraka na wanasayansi na madaktari wengine.
Charles Barkla, mwanafizikia wa Uingereza, alifanya utafiti kati ya 1906 na 1908 ambao ulisababisha ugunduzi wake kwamba X-rays inaweza kuwa tabia ya dutu fulani. Kazi yake pia ilimletea Tuzo la Nobel katika Fizikia, lakini mnamo 1917 tu.
Matumizi ya uchunguzi wa X-ray kwa hakika yalianza mapema kidogo, mwaka wa 1912, kuanzia na ushirikiano kati ya baba na mwana wa wanafizikia wa Uingereza, William Henry Bragg na William Lawrence Bragg. Walitumia spectroscopy kusoma mwingiliano wa X-rays na atomi ndani ya fuwele. Mbinu yao, inayoitwa X-ray crystallography, ikawa ndio kiwango katika uwanja huo kufikia mwaka uliofuata, na wakapokea Tuzo ya Nobel ya Fizikia mwaka wa 1915.
Inatekelezwa
Katika miaka ya hivi majuzi, uchunguzi wa X-ray umetumika kwa njia mbalimbali mpya na za kusisimua. Juu ya uso wa Mars kuna spectrometer ya X-ray inayokusanyahabari kuhusu vipengele vinavyounda udongo. Nguvu ya mihimili ilitumiwa kugundua rangi ya risasi kwenye vinyago, ambayo ilipunguza hatari ya sumu ya risasi. Ushirikiano kati ya sayansi na sanaa unaweza kuonekana katika matumizi ya radiografia inapotumiwa katika makavazi kutambua vipengele vinavyoweza kuharibu mikusanyiko.
Kanuni za kazi
Atomu inapoyumba au kushambuliwa na chembechembe nyingi za nishati, elektroni zake huruka kati ya viwango vya nishati. Elektroni zinapojirekebisha, kipengele hicho hufyonza na kutoa fotoni za X-ray zenye nishati nyingi kwa namna ya tabia ya atomi zinazounda kipengele hicho cha kemikali. Kwa uchunguzi wa X-ray, mabadiliko ya nishati yanaweza kuamua. Hii hukuruhusu kutambua chembe na kuona mwingiliano wa atomi katika mazingira mbalimbali.
Kuna mbinu kuu mbili za uchunguzi wa X-ray: wavelength dispersive (WDXS) na energy dispersive (EDXS). WDXS hupima miale ya X-ray ya urefu wa wimbi moja ambayo imetawanyika kwenye fuwele. EDXS hupima eksirei inayotolewa na elektroni zinazochochewa na chanzo chenye nishati nyingi cha chembe chaji.
Uchanganuzi wa taswira ya X-ray katika mbinu zote mbili za usambazaji wa mionzi unaonyesha muundo wa atomiki wa nyenzo na, kwa hivyo, vipengele vilivyo ndani ya kitu kilichochanganuliwa.
mbinu za radiografia
Kuna mbinu mbalimbali tofauti za X-ray na spectroscopy ya macho ya wigo wa kielektroniki, ambazo hutumika katika nyanja nyingi za sayansi na teknolojia,ikijumuisha akiolojia, unajimu na uhandisi. Mbinu hizi zinaweza kutumika kwa kujitegemea au kwa pamoja ili kuunda picha kamili zaidi ya nyenzo au kitu kilichochanganuliwa.
WDXS
X-ray photoelectron spectroscopy (WDXS) ni mbinu ya kispectroscopic ya upimaji nyeti kwa uso ambayo hupima utunzi wa msingi katika safu mbalimbali za uso wa nyenzo inayochunguzwa, na pia hubainisha fomula ya majaribio, hali ya kemikali na hali ya kielektroniki ya vitu vilivyopo kwenye nyenzo. Kwa ufupi, WDXS ni mbinu muhimu ya kipimo kwa sababu haionyeshi tu vipengele vilivyo ndani ya filamu, lakini pia vipengele vinavyoundwa baada ya kuchakatwa.
Mwonekano wa eksirei hupatikana kwa kuwasha nyenzo kwa miale ya X-ray wakati huo huo kupima nishati ya kinetiki na idadi ya elektroni zinazotoka kwenye nm 0-10 ya juu ya nyenzo iliyochanganuliwa. WDXS inahitaji utupu wa juu (P ~ miliba 10-8) au hali ya utupu wa hali ya juu (UHV; P <10-9 millibars). Ingawa WDXS katika shinikizo la anga inatengenezwa kwa sasa, ambapo sampuli huchanganuliwa kwa shinikizo la makumi kadhaa ya miliba.
ESCA (X-ray Electron Spectroscopy for Chemical Analysis) ni kifupi kilichoundwa na timu ya utafiti ya Kai Siegbahn ili kusisitiza maelezo ya kemikali (sio ya msingi tu) ambayo mbinu hutoa. Katika mazoezi, kwa kutumia vyanzo vya kawaida vya maabaraX-rays, XPS hutambua vipengele vyote vilivyo na nambari ya atomiki (Z) ya 3 (lithiamu) na ya juu zaidi. Haiwezi kutambua kwa urahisi hidrojeni (Z=1) au heliamu (Z=2).
EDXS
Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (EDXS) ni mbinu ya uchanganuzi midogo ya kemikali inayotumika pamoja na kuchanganua hadubini ya elektroni (SEM). Mbinu ya EDXS hutambua mionzi ya eksirei iliyotolewa na sampuli inapopigwa boriti ya elektroni ili kubainisha muundo wa kimsingi wa kiasi kilichochambuliwa. Vipengele au awamu ndogo kama 1 µm zinaweza kuchanganuliwa.
Sampuli inapopigwa na boriti ya elektroni ya SEM, elektroni hutolewa kutoka kwa atomi zinazounda uso wa sampuli. Vipu vya elektroni vinavyotokana vinajazwa na elektroni kutoka hali ya juu, na X-rays hutolewa ili kusawazisha tofauti ya nishati kati ya majimbo ya elektroni mbili. Nishati ya X-ray ni tabia ya kipengele ambacho ilitolewa.
Kitambuzi cha eksirei cha EDXS hupima kiasi cha mionzi inayotolewa kulingana na nishati yake. Kigunduzi kawaida ni kifaa cha hali dhabiti cha silicon drift lithiamu. Wakati boriti ya X-ray inapogonga kigunduzi, huunda mpigo wa malipo unaolingana na nishati ya X-ray. Mpigo wa chaji hubadilishwa kuwa mpigo wa volti (ambao hubaki sawia na nishati ya X-ray) kwa njia ya kiamplifier ambacho ni nyeti chaji. Kisha ishara inatumwa kwa analyzer ya multichannel ambapo mapigo yanapangwa kwa voltage. Nishati iliyoamuliwa kutoka kwa kipimo cha volteji kwa kila tukio la X-ray hutumwa kwa kompyuta ili kuonyeshwa na kutathminiwa zaidi data. Wigo wa nishati ya X-ray dhidi ya hesabu inakadiriwa kubainisha muundo msingi wa saizi ya sampuli.
XRF
Mionzi ya X-ray ya fluorescence (XRF) hutumika kwa uchanganuzi wa kawaida, usio na uharibifu wa kemikali wa miamba, madini, mchanga na vimiminika. Hata hivyo, XRF kwa kawaida haiwezi kuchanganua katika saizi ndogo za doa (microns 2-5), kwa hivyo hutumiwa kwa uchanganuzi wa sehemu kubwa za nyenzo za kijiolojia. Urahisi wa kiasi na gharama ya chini ya utayarishaji wa sampuli, pamoja na uthabiti na urahisi wa matumizi ya spectrometa za X-ray, hufanya njia hii kuwa mojawapo inayotumiwa sana kwa uchanganuzi wa vipengele vikuu vya ufuatiliaji katika miamba, madini na mashapo.
Fizikia ya XRF XRF inategemea kanuni za kimsingi ambazo ni za kawaida kwa mbinu zingine kadhaa za ala zinazohusisha mwingiliano kati ya miale ya elektroni na miale ya X kwenye sampuli, ikijumuisha mbinu za radiografia kama vile SEM-EDS, diffraction (XRD), na urefu wa mawimbi. radiografia ya kutawanya (microprobe WDS).
Uchambuzi wa vipengele vikuu vya ufuatiliaji katika nyenzo za kijiolojia na XRF unawezekana kutokana na tabia ya atomi zinapoingiliana na mionzi. Wakati nyenzoWakishangiliwa na mionzi ya mawimbi mafupi yenye nguvu ya juu (kama vile X-rays), wanaweza kuwa ionized. Iwapo kuna nishati ya mionzi ya kutosha kutoa elektroni ya ndani iliyoshikiliwa kwa nguvu, atomi inakuwa isiyo thabiti na elektroni ya nje inachukua nafasi ya ile ya ndani iliyokosekana. Hili linapotokea, nishati hutolewa kwa sababu ya kupungua kwa nishati ya kuunganisha ya obiti ya elektroni ya ndani ikilinganishwa na ile ya nje. Mionzi hiyo ina nishati ya chini kuliko X-ray ya tukio la msingi na inaitwa fluorescent.
Kipima kipimo cha XRF hufanya kazi kwa sababu ikiwa sampuli itamulikwa kwa miale mikali ya X-ray, inayojulikana kama miale ya tukio, baadhi ya nishati hutawanywa, lakini nyingine pia humezwa kwenye sampuli hiyo, ambayo inategemea kemikali yake. muundo.
XAS
Mionzi ya eksirei (XAS) ni kipimo cha mpito kutoka hali ya kielektroniki ya chuma hadi hali ya elektroniki ya msisimko (LUMO) na mwendelezo; ya kwanza inajulikana kama Muundo wa Karibu wa Ufyonzaji wa X-ray (XANES) na wa pili kama Muundo Mzuri wa Kufyonza kwa Eksirei (EXAFS), ambao huchunguza muundo mzuri wa ufyonzwaji kwa nishati iliyo juu ya kiwango cha kutolewa kwa elektroni. Mbinu hizi mbili hutoa maelezo ya ziada ya kimuundo, mwonekano wa XANES unaoripoti muundo wa kielektroniki na ulinganifu wa tovuti ya chuma, na nambari za ripoti za EXAFS, aina na umbali wa ligandi na atomi za jirani kutoka kwa kipengele cha kunyonya.
XAS huturuhusu kujifunza muundo wa ndani wa kipengele cha kupendeza bila kuingiliwa na ufyonzwaji wa matrix ya protini, maji au hewa. Hata hivyo, uchunguzi wa X-ray wa vimeng'inia vya metali umekuwa changamoto kutokana na ukolezi mdogo wa kipengele cha riba katika sampuli. Katika hali kama hiyo, mbinu ya kawaida ilikuwa kutumia fluorescence ya X-ray kugundua mwonekano wa kunyonya badala ya kutumia modi ya kugundua upitishaji. Ukuzaji wa vyanzo vikali vya X-ray vya kizazi cha tatu vya mionzi ya synchrotron pia kumewezesha kutafiti sampuli za dilute.
Miundo ya metali, kama miundo yenye miundo inayojulikana, ilikuwa muhimu kwa kuelewa XAS ya metalloproteini. Mchanganyiko huu hutoa msingi wa kutathmini ushawishi wa kati ya uratibu (malipo ya uratibu) kwenye nishati ya makali ya kunyonya. Utafiti wa miundo ya miundo yenye sifa nzuri pia hutoa kielelezo cha kuelewa EXAFS kutoka kwa mifumo ya metali ya muundo usiojulikana.
Faida kubwa ya XAS juu ya fuwele ya X-ray ni kwamba maelezo ya kimuundo ya ndani kuhusu kipengele cha kuvutia yanaweza kupatikana hata kutoka kwa sampuli zisizo na utaratibu kama vile poda na suluhisho. Hata hivyo, sampuli zilizoagizwa kama vile utando na fuwele moja mara nyingi huongeza maelezo yanayopatikana kutoka kwa XAS. Kwa fuwele moja iliyoelekezwa au utando uliopangwa, mielekeo ya vekta ya interatomiki inaweza kukadiriwa kutokana na vipimo vya dikhroism. Njia hizi ni muhimu sana kwa kuamua miundo ya nguzo.metali za nyuklia kama vile nguzo ya Mn4Ca inayohusishwa na uoksidishaji wa maji katika changamano ya usanisinuru inayotoa oksijeni. Zaidi ya hayo, mabadiliko madogo madogo katika jiometri/muundo yanayohusiana na mabadiliko kati ya majimbo ya kati, yanayojulikana kama S-states, katika mzunguko wa mmenyuko wa oksidi ya maji yanaweza kutambuliwa kwa urahisi kwa kutumia XAS.
Maombi
Mbinu za uchunguzi wa X-ray hutumiwa katika nyanja nyingi za sayansi, ikiwa ni pamoja na akiolojia, anthropolojia, unajimu, kemia, jiolojia, uhandisi na afya ya umma. Kwa msaada wake, unaweza kugundua habari iliyofichwa kuhusu mabaki ya kale na mabaki. Kwa mfano, Lee Sharp, profesa mshiriki wa kemia katika Chuo cha Grinnell huko Iowa, na wenzake walitumia XRF kufuatilia asili ya vishale vya obsidian vilivyotengenezwa na watu wa kabla ya historia huko Amerika Kaskazini Magharibi Magharibi.
Wataalamu wa anga, kutokana na uchunguzi wa X-ray, watajifunza zaidi kuhusu jinsi vitu vilivyo katika anga hufanya kazi. Kwa mfano, watafiti katika Chuo Kikuu cha Washington huko St. Louis wanapanga kuchunguza X-rays kutoka kwa vitu vya cosmic kama vile mashimo meusi ili kujifunza zaidi kuhusu sifa zao. Timu inayoongozwa na Henryk Kravczynski, mwanaastrofizikia wa majaribio na kinadharia, inapanga kutoa spectrometa ya X-ray inayoitwa polarimita ya X-ray. Kuanzia Desemba 2018, chombo kilisimamishwa katika angahewa ya Dunia kwa puto iliyojaa heliamu kwa muda mrefu.
Yuri Gogotsi, duka la dawa na mhandisi,Chuo Kikuu cha Drexel cha Pennsylvania huunda antena na utando uliotapakaa ili kuondoa chumvi kwenye nyenzo zilizochanganuliwa kwa uchunguzi wa X-ray.
Antena zisizoonekana zenye unene ni makumi chache tu ya nanomita, lakini zina uwezo wa kusambaza na kuelekeza mawimbi ya redio. Mbinu ya XAS husaidia kuhakikisha kuwa muundo wa nyenzo nyembamba sana ni sahihi na husaidia kuamua utendakazi. "Antena zinahitaji upitishaji chuma wa hali ya juu ili kufanya kazi vizuri, kwa hivyo inatubidi tuangalie nyenzo," Gogotsi alisema.
Gogotzi na wenzake pia wanatumia spectroscopy kuchanganua kemia ya uso ya utando changamano ambao huondoa chumvi kwenye maji kwa kuchuja ayoni maalum kama vile sodiamu.
Kwenye dawa
Mtazamo wa picha elektroni wa X-ray hupata matumizi katika maeneo kadhaa ya utafiti wa kimatibabu wa anatomiki na kiutendaji, kwa mfano, katika mashine za kisasa za kuchanganua CT. Kukusanya mionzi ya X-ray wakati wa CT scan (kwa kutumia photon count au spectral scanner) inaweza kutoa maelezo ya kina zaidi na kuamua nini kinatokea ndani ya mwili, kwa viwango vya chini vya mionzi na hitaji la chini au lisilo la vifaa vya utofautishaji (dyes).
