Рентген туяа нь маш богино долгионы уртаас давсан цацраг гэх мэт хэд хэдэн өвөрмөц шинж чанартай байдаг. Шинжлэх ухааны чухал шинж чанаруудын нэг нь элементийн сонгомол чанар юм. Нарийн төвөгтэй молекулуудын өвөрмөц газруудад байрладаг бие даасан элементүүдийн спектрийг сонгон шалгаснаар бид орон нутгийн "атом мэдрэгч"-тэй болно. Бүтцийг гэрлээр өдөөсний дараа өөр өөр цаг үед эдгээр атомуудыг судалснаар бид маш нарийн төвөгтэй системд ч гэсэн электрон болон бүтцийн өөрчлөлтийн хөгжлийг ажиглаж, өөрөөр хэлбэл молекул болон интерфейсээр дамжуулан электроныг дагаж болно.
Түүх
Рентген зургийн зохион бүтээгч нь Вильгельм Конрад Рентген юм. Нэгэн удаа эрдэмтэн янз бүрийн материалын цацрагийг зогсоох чадварыг судалж байхдаа ялгадас гарах үед жижиг хар тугалга байрлуулжээ. ТэгэхээрИйнхүү Рентген барийн платиноцианидын дэлгэцэн дээр өөрийн гялалзсан сүнс шиг араг яс болох анхны рентген зургийг харав. Энэ үед тэрээр өөрийн ажиглалт алдаатай байвал мэргэжлийн нэр хүндээсээ айж, нууцаар туршилтаа үргэлжлүүлэхээр шийдсэн гэж хожим мэдээлэв. Германы эрдэмтэн 1895 онд рентген туяаг нээснийхээ төлөө 1901 онд физикийн салбарт анхны Нобелийн шагнал хүртжээ. SLAC National Accelerator Laboratory-ийн мэдээлснээр түүний шинэ технологийг бусад эрдэмтэн, эмч нар маш хурдан нэвтрүүлсэн.
Английн физикч Чарльз Баркла 1906-1908 оны хооронд судалгаа хийснээр рентген туяа нь зарим бодисын шинж чанартай байж болохыг олж мэдсэн. Түүний бүтээлүүд нь түүнд физикийн салбарын Нобелийн шагналыг авчирсан боловч зөвхөн 1917 онд.
Рентген туяаны спектроскопийг ашиглах нь үнэндээ арай эрт буюу 1912 онд Британийн физикч Уильям Хенри Брэгг, Уильям Лоуренс Брэгг нарын аав хүү хоёрын хамтын ажиллагаанаас эхэлсэн юм. Тэд спектроскопи ашиглан рентген туяа нь талст доторх атомуудтай харилцан үйлчлэлцдэг. Рентген кристаллограф гэж нэрлэгддэг тэдний техник дараа жил нь энэ салбарт стандарт болж, тэд 1915 онд физикийн салбарт Нобелийн шагнал хүртжээ.
Үйл ажиллагаатай
Сүүлийн жилүүдэд рентген туяаны спектрометрийг янз бүрийн шинэ, сэтгэл хөдөлгөм аргаар ашиглаж байна. Ангараг гаригийн гадаргуу дээр цуглуулдаг рентген спектрометр байдагхөрсийг бүрдүүлэгч элементүүдийн талаарх мэдээлэл. Цацрагийн хүчийг тоглоомон дээрх хар тугалга будгийг илрүүлэхэд ашигласан нь хар тугалгын хордлогын эрсдлийг бууруулжээ. Шинжлэх ухаан, урлагийн түншлэлийг музейд цуглуулгыг гэмтээж болзошгүй элементүүдийг тодорхойлоход ашиглах үед рентген зураг ашиглахаас харж болно.
Ажлын зарчим
Атом тогтворгүй эсвэл өндөр энергитэй бөөмсөөр бөмбөгдөх үед түүний электронууд энергийн түвшний хооронд үсэрдэг. Электронууд дасан зохицоход элемент нь тухайн химийн элементийг бүрдүүлдэг атомын шинж чанартай өндөр энергитэй рентген фотонуудыг шингээж, ялгаруулдаг. Рентген спектроскопийн тусламжтайгаар энергийн хэлбэлзлийг тодорхойлж болно. Энэ нь бөөмсийг таньж, янз бүрийн орчин дахь атомуудын харилцан үйлчлэлийг харах боломжийг олгоно.
Рентген туяаны спектроскопийн хоёр үндсэн арга байдаг: долгионы уртын тархалт (WDXS) ба эрчим хүчний тархалт (EDXS). WDXS нь болор дээр сарнисан нэг долгионы урттай рентген туяаг хэмждэг. EDXS нь цэнэгтэй бөөмсийн өндөр энергийн эх үүсвэрээр өдөөгдсөн электронуудаас ялгарах рентген туяаг хэмждэг.
Цацрагийн тархалтын хоёр аргын рентген спектроскопийн шинжилгээ нь материалын атомын бүтэц, улмаар шинжилж буй объектын доторх элементүүдийг харуулдаг.
Рентген зургийн техник
Шинжлэх ухаан, технологийн олон салбарт ашигладаг электрон спектрийн рентген болон оптик спектроскопийн хэд хэдэн өөр аргууд байдаг.археологи, одон орон, инженерчлэл зэрэг орно. Эдгээр аргуудыг бие даан эсвэл хамтдаа ашиглаж, дүн шинжилгээ хийсэн материал эсвэл объектын бүрэн дүр зургийг гаргах боломжтой.
WDXS
Рентген фотоэлектрон спектроскопи (WDXS) нь судалж буй материалын гадаргуугийн хэсэг дэх элементийн найрлагыг хэмжиж, эмпирик томьёо, химийн төлөв болон материалд байгаа элементүүдийн электрон төлөв. Энгийнээр хэлбэл, WDXS нь зөвхөн хальс дотор ямар шинж чанарууд байгааг харуулахаас гадна боловсруулсны дараа ямар шинж чанарууд үүсдэгийг харуулдаг учраас хэмжилтийн ашигтай арга юм.
Рентген туяаны спектрийг материалыг рентген туяагаар цацруулж, шинжилж буй материалын дээд 0-10 нм-ээс гарч буй кинетик энерги болон электроны тоог нэгэн зэрэг хэмжих замаар олж авдаг. WDXS нь өндөр вакуум (P ~ 10-8 миллибар) эсвэл хэт өндөр вакуум (UHV; P <10-9 миллибар) нөхцлийг шаарддаг. Хэдийгээр дээжийг хэдэн арван миллибар даралтын дор шинжилдэг атмосферийн даралт дахь WDXS-ийг одоогоор боловсруулж байна.
ESCA (Химийн шинжилгээнд зориулсан рентген электрон спектроскопи) нь Кай Зигбаны судалгааны багийнхан энэхүү техникээр хангадаг химийн (зөвхөн элемент бус) мэдээллийг онцлон харуулах зорилгоор зохиосон товчлол юм. Практикт ердийн лабораторийн эх сурвалжийг ашигланРентген туяа, XPS нь атомын дугаар (Z) 3 (литий) ба түүнээс дээш бүх элементүүдийг илрүүлдэг. Энэ нь устөрөгч (Z=1) эсвэл гелийг (Z=2) амархан илрүүлж чадахгүй.
EDXS
Эрчим хүчний дисперсийн рентген спектроскопи (EDXS) нь сканнердах электрон микроскоптой (SEM) хамт хэрэглэгддэг химийн бичил шинжилгээний арга юм. EDXS арга нь электрон туяагаар бөмбөгдөх үед дээжээс ялгарах рентген туяаг илрүүлж шинжилж буй эзэлхүүний элементийн найрлагыг тодорхойлдог. 1 μм хүртэлх жижиг элементүүд эсвэл фазуудыг шинжлэх боломжтой.
Дээжийг SEM электрон цацрагаар бөмбөгдөх үед дээжийн гадаргууг бүрдүүлдэг атомуудаас электронууд ялгардаг. Үүссэн электрон хоосон зай нь өндөр төлөвийн электронуудаар дүүрч, хоёр электроны төлөвийн хоорондох энергийн зөрүүг тэнцвэржүүлэхийн тулд рентген туяа ялгардаг. Рентген туяа нь түүний ялгарсан элементийн шинж чанар юм.
EDXS рентген детектор нь энергиэс хамаарч ялгарах цацрагийн харьцангуй хэмжээг хэмждэг. Илрүүлэгч нь ихэвчлэн цахиурын шилжилтийн литийн хатуу төлөвт төхөөрөмж юм. Рентген туяа детектор дээр тусах үед энэ нь рентгений энергитэй пропорциональ цэнэгийн импульс үүсгэдэг. Цэнэглэлтийн импульс нь цэнэгийн мэдрэмжтэй урьдчилан өсгөгчийн тусламжтайгаар хүчдэлийн импульс (рентген туяаны энергитэй пропорциональ хэвээр байна) болж хувирдаг. Дараа нь дохиог олон сувгийн анализатор руу илгээж, импульсийг хүчдэлээр ангилдаг. Рентген туяа тус бүрийн хүчдэлийн хэмжилтээс тодорхойлсон энергийг мэдээллийг харуулах, цаашдын үнэлгээ хийх зорилгоор компьютерт илгээдэг. Дээжийн хэмжээний элементийн найрлагыг тодорхойлохын тулд рентген туяаны энергийн спектрийг тооцоолсон.
XRF
Рентген флюресцент спектроскопи (XRF) нь чулуулаг, эрдэс, хурдас, шингэний ердийн, харьцангуй үл эвдэх химийн шинжилгээнд ашиглагддаг. Гэсэн хэдий ч XRF нь ихэвчлэн жижиг цэгийн хэмжээтэй (2-5 микрон) шинжилгээ хийх боломжгүй тул геологийн материалын томоохон фракцуудыг задлан шинжлэхэд ашигладаг. Дээж бэлтгэхэд харьцангуй хялбар, зардал багатай, түүнчлэн рентген спектрометрийн тогтвортой байдал, хэрэглэхэд хялбар байдал нь энэ аргыг чулуулаг, эрдэс ба хурдас дахь үндсэн микроэлементүүдийн шинжилгээнд хамгийн өргөн хэрэглэгддэг аргуудын нэг болгож байна.
XRF XRF-ийн физик нь дээж дээрх электрон туяа ба рентген туяаны харилцан үйлчлэлийг хамарсан бусад багаж хэрэгслийн нийтлэг аргууд, тухайлбал SEM-EDS, дифракц (XRD) болон долгионы урт зэрэг радиографийн аргуудаас хамаардаг үндсэн зарчмуудаас хамаардаг. тархалтын рентген зураг (микрозонд WDS).
Геологийн материалд агуулагдах үндсэн элементүүдийг XRF-ээр шинжлэх нь атомуудын цацраг туяатай харьцах үйл ажиллагааны улмаас боломжтой юм. Хэзээ материалӨндөр энергитэй богино долгионы цацрагт (рентген туяа гэх мэт) өдөөгдөж, ионжуулж болно. Хэрэв дотоод электроныг задлахад хангалттай цацрагийн энерги байвал атом тогтворгүй болж, гаднах электрон нь алга болсон дотоод электроныг орлоно. Энэ тохиолдолд дотоод электрон тойрог замын гаднахтай харьцуулахад энерги багасч энерги ялгардаг. Цацраг нь анхдагч рентген туяанаас бага энергитэй бөгөөд флюресцент гэж нэрлэгддэг.
XRF спектрометр нь хэрэв дээжийг туссан туяа гэж нэрлэгддэг эрчимтэй рентген туяагаар гэрэлтүүлэхэд энергийн зарим хэсэг нь тархсан боловч зарим нь дээжинд шингэдэг бөгөөд энэ нь түүний химийн бодисоос хамаарна. найрлага.
XAS
Рентген шингээлтийн спектроскопи (XAS) нь металын үндсэн электрон төлөвөөс өдөөгдсөн электрон төлөв (LUMO) болон тасралтгүй байдал руу шилжих шилжилтийг хэмжих; Эхнийх нь рентген туяа шингээлтийн ойролцоо бүтэц (XANES) гэж нэрлэгддэг ба сүүлийнх нь электрон ялгарах босгоноос дээш энергийн шингээлтийн нарийн бүтцийг судалдаг рентген туяаны өргөтгөсөн шингээлтийн нарийн бүтэц (EXAFS) гэж нэрлэгддэг. Эдгээр хоёр арга нь бүтцийн нэмэлт мэдээллийг өгдөг, XANES спектр нь металлын талбайн электрон бүтэц, тэгш хэмийг мэдээлдэг, EXAFS нь шингээгч элементээс лигандууд болон хөрш атомууд хүртэлх тоо, төрөл, зайг мэдээлдэг.
XAS нь уургийн матриц, ус эсвэл агаарт шингээхэд саад учруулахгүйгээр сонирхсон элементийн орон нутгийн бүтцийг судлах боломжийг бидэнд олгодог. Гэсэн хэдий ч металлоферментийн рентген спектроскопи нь дээжинд сонирхож буй элементийн харьцангуй бага концентрациас шалтгаалан бэрхшээлтэй тулгарсан. Ийм тохиолдолд дамжуулах илрүүлэх горимыг ашиглахын оронд шингээлтийн спектрийг илрүүлэхийн тулд рентген флюресценцийг ашиглах стандарт арга байсан. Синхротрон цацрагийн гурав дахь үеийн эрчимтэй рентген эх үүсвэрийг хөгжүүлснээр шингэрүүлсэн дээжийг судлах боломжтой болсон.
Металлын цогцолборууд нь мэдэгдэж буй бүтэцтэй загваруудын хувьд металлопротеины XAS-ийг ойлгоход зайлшгүй шаардлагатай байв. Эдгээр цогцолборууд нь шингээлтийн ирмэгийн энергийн зохицуулалтын орчин (зохицуулах цэнэг) -ийн нөлөөллийг үнэлэх үндэслэл болдог. Бүтцийн хувьд сайн тодорхойлогдсон загварын цогцолборуудыг судлах нь мөн үл мэдэгдэх бүтэцтэй металл системүүдийн EXAFS-ийг ойлгох жишиг болж өгдөг.
XAS-ийн рентген кристаллографаас мэдэгдэхүйц давуу тал нь нунтаг, уусмал зэрэг эмх замбараагүй дээжээс ч сонирхсон элементийн эргэн тойронд орон нутгийн бүтцийн мэдээллийг олж авах боломжтой юм. Гэсэн хэдий ч мембран, нэг талст гэх мэт захиалгат дээжүүд нь XAS-аас олж авсан мэдээллийг нэмэгдүүлдэг. Баримтлагдсан дан талстууд эсвэл эмх цэгцтэй мембрануудын хувьд дихризмын хэмжилтээс атом хоорондын векторын чиглэлийг гаргаж болно. Эдгээр аргууд нь кластерийн бүтцийг тодорхойлоход онцгой ач холбогдолтой юм.хүчилтөрөгч ялгаруулах фотосинтезийн цогцолбор дахь усны исэлдэлттэй холбоотой Mn4Ca кластер зэрэг олон цөмийн металлууд. Түүнчлэн, усны исэлдэлтийн урвалын мөчлөгийн S-төлөв гэж нэрлэгддэг завсрын төлөв хоорондын шилжилттэй холбоотой геометр/бүтэц дэх бага зэргийн өөрчлөлтийг XAS ашиглан хялбархан илрүүлж болно.
Програмууд
Рентген туяаны спектроскопийн аргыг археологи, антропологи, одон орон судлал, хими, геологи, инженерчлэл, нийгмийн эрүүл мэнд зэрэг шинжлэх ухааны олон салбарт ашигладаг. Түүний тусламжтайгаар та эртний олдвор, үлдэгдлийн талаархи далд мэдээллийг олж авах боломжтой. Жишээлбэл, Айовагийн Гринелл коллежийн химийн дэд профессор Ли Шарп болон түүний хамтрагчид Хойд Америкийн баруун өмнөд нутгийн эртний хүмүүсийн хийсэн обсидиан сумны хошууны гарал үүслийг судлахын тулд XRF ашигласан.
Астрофизикчид рентген туяаны спектроскопийн ачаар сансарт байгаа биетүүд хэрхэн ажилладаг талаар илүү ихийг мэдэх болно. Тухайлбал, Сент-Луис дахь Вашингтоны их сургуулийн судлаачид хар нүх гэх мэт сансрын биетүүдийн рентген туяаг ажиглаж, тэдгээрийн шинж чанарын талаар илүү ихийг мэдэхээр төлөвлөж байна. Туршилтын болон онолын астрофизикч Хенрик Кравчински тэргүүтэй баг рентген поляриметр хэмээх рентген спектрометрийг гаргахаар төлөвлөж байна. 2018 оны 12-р сараас эхлэн уг төхөөрөмжийг гелиээр дүүргэсэн бөмбөлөгөөр дэлхийн агаар мандалд удаан хугацаагаар өлгөв.
Юри Гогоци, химич, инженер,Пенсильванийн Дрекселийн их сургууль нь рентген туяаны спектроскопоор шинжилсэн материалаас давсгүйжүүлэх зориулалттай цацарсан антен болон мембрануудыг бүтээдэг.
Үл үзэгдэх цацруулсан антен нь хэдхэн арван нанометр зузаантай ч радио долгион дамжуулах, чиглүүлэх чадвартай. XAS техник нь гайхалтай нимгэн материалын найрлагыг зөв болгоход тусалдаг ба цахилгаан дамжуулах чанарыг тодорхойлоход тусалдаг. "Антеннууд сайн ажиллахын тулд өндөр металл дамжуулалт шаарддаг тул бид материалыг сайтар хянаж байх ёстой" гэж Гогоци хэлэв.
Гоготци болон түүний хамтрагчид мөн натри зэрэг тусгай ионуудыг шүүж усыг давсгүйжүүлдэг цогц мембраны гадаргуугийн химийн шинжилгээнд спектроскопи ашиглаж байна.
Анагаах ухаанд
Рентген фотоэлектрон спектроскопи нь анатомийн анагаах ухааны судалгааны хэд хэдэн чиглэлээр болон практикт, жишээлбэл, орчин үеийн CT сканнерын машинд хэрэглэгдэх боломжтой. CT скан хийх үед (фотон тоолох эсвэл спектрийн сканнер ашиглан) рентген туяа шингээх спектрийг цуглуулах нь илүү нарийвчилсан мэдээлэл өгч, биеийн дотор юу болж байгааг тодорхойлоход цацрагийн бага тунгаар, тодосгогч бодис (будагч бодис) бага эсвэл огт хэрэггүй болно.
