Rentgen nurlari juda qisqa toʻlqin uzunligidan oshib ketadigan radiatsiya sifatida bir qator noyob xususiyatlarga ega. Ularning fan uchun muhim xususiyatlaridan biri elementar selektivlikdir. Murakkab molekulalarning noyob joylarida joylashgan alohida elementlarning spektrlarini tanlash va tekshirish orqali biz mahalliylashtirilgan "atom sensori" ga ega bo'lamiz. Ushbu atomlarni strukturaning yorug'lik ta'sirida qo'zg'atilishidan so'ng turli vaqtlarda tekshirib, biz elektron va strukturaviy o'zgarishlarning rivojlanishini hatto juda murakkab tizimlarda ham kuzatishimiz mumkin yoki boshqacha qilib aytganda, elektronni molekula va interfeyslar orqali kuzatib borishimiz mumkin.
Tarix
Rentgenografiya ixtirochisi Vilgelm Konrad Rentgen edi. Bir marta, olim turli materiallarning nurlarni to'xtatish qobiliyatini o'rganayotganda, oqindi sodir bo'layotgan vaqtda qo'rg'oshinning kichik bo'lagini joyiga qo'ydi. Shunday qilibShunday qilib, Rentgen bariy platinosiyanid ekranida birinchi rentgen tasvirini, o'zining y altiroq arvoh skeletini ko'rdi. Keyinchalik u, agar kuzatuvlari xato bo'lsa, o'zining professional obro'sidan qo'rqib, tajribalarini yashirincha davom ettirishga qaror qilganini ma'lum qildi. Nemis olimi 1895 yilda rentgen nurlarini kashf etgani uchun 1901 yilda fizika bo'yicha birinchi Nobel mukofotiga sazovor bo'lgan. SLAC National Accelerator Laboratory ma'lumotlariga ko'ra, uning yangi texnologiyasi boshqa olimlar va shifokorlar tomonidan tezda o'zlashtirilgan.
Charlz Barkla, ingliz fizigi, 1906-1908 yillarda tadqiqot olib bordi, bu uning rentgen nurlari ma'lum moddalarga xos bo'lishi mumkinligini kashf qildi. Uning ishi unga fizika bo'yicha Nobel mukofotini ham berdi, lekin faqat 1917 yilda.
Rentgen spektroskopiyasidan foydalanish aslida biroz oldinroq, 1912 yilda ingliz fiziklari Uilyam Genri Bragg va Uilyam Lorens Braggning otasi va o'g'li hamkorligidan boshlangan. X-nurlarining kristallar ichidagi atomlar bilan o'zaro ta'sirini o'rganish uchun spektroskopiyadan foydalanganlar. Ularning rentgen kristallografiyasi deb nomlangan texnikasi keyingi yilga kelib bu sohada standartga aylandi va ular 1915 yilda fizika bo'yicha Nobel mukofotiga sazovor bo'lishdi.
Harakatda
So'nggi yillarda rentgen spektrometriyasi turli xil yangi va qiziqarli usullarda qo'llanilmoqda. Mars yuzasida to'playdigan rentgen spektrometri mavjudtuproqni tashkil etuvchi elementlar haqida ma'lumot. Nurlarning kuchi o'yinchoqlardagi qo'rg'oshin bo'yog'ini aniqlash uchun ishlatilgan, bu esa qo'rg'oshin bilan zaharlanish xavfini kamaytiradi. Ilm-fan va sanʼat oʻrtasidagi hamkorlikni muzeylarda kollektsiyalarga zarar yetkazuvchi elementlarni aniqlash uchun foydalanilganda rentgenografiyadan foydalanishda koʻrish mumkin.
Ish tamoyillari
Atom beqaror yoki yuqori energiyali zarralar tomonidan bombardimon qilinganda, uning elektronlari energiya darajalari orasida sakrab o'tadi. Elektronlar moslashganda, element yuqori energiyali rentgen fotonlarini o'sha kimyoviy elementni tashkil etuvchi atomlarga xos bo'lgan tarzda yutadi va chiqaradi. Rentgen spektroskopiyasi yordamida energiyadagi tebranishlarni aniqlash mumkin. Bu sizga zarralarni aniqlash va turli muhitdagi atomlarning oʻzaro taʼsirini koʻrish imkonini beradi.
Rentgen spektroskopiyasining ikkita asosiy usuli mavjud: toʻlqin uzunligi dispersivi (WDXS) va energiya dispersivi (EDXS). WDXS kristalda diffraktsiya qilingan bir to'lqin uzunlikdagi rentgen nurlarini o'lchaydi. EDXS yuqori energiyali zaryadlangan zarrachalar manbai tomonidan qoʻzgʻatilgan elektronlar chiqaradigan rentgen nurlarini oʻlchaydi.
Rentgen spektroskopiyasini nurlanishni taqsimlashning ikkala usulida tahlil qilish materialning atom tuzilishini va shuning uchun tahlil qilinadigan ob'ekt ichidagi elementlarni ko'rsatadi.
Rentgenografik texnikalar
Elektron spektrning rentgen va optik spektroskopiyasining turli xil usullari mavjud bo'lib, ular fan va texnikaning ko'plab sohalarida qo'llaniladi.jumladan arxeologiya, astronomiya va muhandislik. Tahlil qilinayotgan material yoki ob'ekt haqida to'liqroq tasvirni yaratish uchun bu usullar mustaqil yoki birgalikda ishlatilishi mumkin.
WDXS
Rentgen-fotoelektron spektroskopiyasi (WDXS) - sirtga sezgir miqdoriy spektroskopik usul bo'lib, u o'rganilayotgan material yuzasining bir qator qismlarida elementar tarkibini o'lchaydi, shuningdek, empirik formula, kimyoviy holat va kimyoviy holatni aniqlaydi. materialda mavjud bo'lgan elementlarning elektron holati. Oddiy qilib aytganda, WDXS foydali o'lchash usuli hisoblanadi, chunki u nafaqat plyonka ichida qanday xususiyatlar borligini, balki qayta ishlashdan keyin qanday xususiyatlar hosil bo'lishini ham ko'rsatadi.
Rentgen spektrlari materialni rentgen nurlari bilan nurlantirish va tahlil qilinayotgan materialning 0-10 nm yuqori qismidan chiqadigan elektronlar sonini va kinetik energiyani bir vaqtda oʻlchash yoʻli bilan olinadi. WDXS yuqori vakuum (P ~ 10-8 millibar) yoki ultra yuqori vakuum (UHV; P <10-9 millibar) sharoitlarini talab qiladi. Hozirda atmosfera bosimidagi WDXS ishlab chiqilayotgan bo'lsa-da, unda namunalar bir necha o'n millibar bosim ostida tahlil qilinadi.
ESCA (Kimyoviy tahlil uchun rentgen elektron spektroskopiyasi) - bu texnika taqdim etadigan kimyoviy (nafaqat elementar) ma'lumotlarni ta'kidlash uchun Kay Siegbahnning tadqiqot guruhi tomonidan yaratilgan qisqartma. Amalda, odatiy laboratoriya manbalaridan foydalangan holdaX-nurlari, XPS atom raqami (Z) 3 (litiy) va undan yuqori bo'lgan barcha elementlarni aniqlaydi. U vodorod (Z=1) yoki geliyni (Z=2) osongina aniqlay olmaydi.
EDXS
Energiya dispersiv rentgen spektroskopiyasi (EDXS) skanerlovchi elektron mikroskop (SEM) bilan birgalikda ishlatiladigan kimyoviy mikrotahlil usulidir. EDXS usuli tahlil qilinadigan hajmning elementar tarkibini tavsiflash uchun elektron nurlar bilan bombardimon qilinganda namuna tomonidan chiqarilgan rentgen nurlarini aniqlaydi. 1 mkm gacha bo'lgan kichik elementlar yoki fazalarni tahlil qilish mumkin.
Namuna SEM elektron nurlari bilan bombardimon qilinganda, namuna sirtini tashkil etuvchi atomlardan elektronlar chiqariladi. Olingan elektron bo'shliqlar yuqori holatdagi elektronlar bilan to'ldiriladi va ikkita elektronning holati o'rtasidagi energiya farqini muvozanatlash uchun rentgen nurlari chiqariladi. Rentgen nurlari energiyasi u chiqarilgan elementga xosdir.
EDXS rentgen detektori ularning energiyasiga qarab chiqarilgan nurlarning nisbiy miqdorini o'lchaydi. Detektor odatda kremniy driftli lityum qattiq holatdagi qurilmadir. To'g'ri keladigan rentgen nurlari detektorga tegsa, u rentgen nurining energiyasiga mutanosib bo'lgan zaryad impulsini hosil qiladi. Zaryad pulsi zaryadga sezgir oldindan kuchaytirgich yordamida kuchlanish impulsiga aylanadi (u rentgen nurlari energiyasiga mutanosib qoladi). Keyin signal ko'p kanalli analizatorga yuboriladi, u erda impulslar kuchlanish bo'yicha tartiblanadi. Har bir hodisa rentgenogrammasi uchun kuchlanishni o'lchash natijasida aniqlangan energiya ma'lumotlarni ko'rsatish va keyingi baholash uchun kompyuterga yuboriladi. Namuna hajmining elementar tarkibini aniqlash uchun rentgen nurlarining energiya spektri hisoblangan.
XRF
Rentgen-fluoresans spektroskopiyasi (XRF) togʻ jinslari, minerallar, choʻkindi va suyuqliklarni muntazam, nisbatan buzilmaydigan kimyoviy tahlil qilish uchun ishlatiladi. Biroq, XRF odatda kichik nuqta o'lchamlarida (2-5 mikron) tahlil qila olmaydi, shuning uchun u odatda geologik materiallarning katta fraktsiyalarini ommaviy tahlil qilish uchun ishlatiladi. Namuna tayyorlashning nisbatan qulayligi va arzonligi, shuningdek rentgen spektrometrlarining barqarorligi va foydalanish qulayligi bu usulni tog‘jinslari, minerallar va cho‘kindilardagi asosiy mikroelementlarni tahlil qilishda keng qo‘llaniladigan usullardan biriga aylantiradi.
XRF XRF fizikasi namunalardagi elektron nurlar va rentgen nurlari oʻrtasidagi oʻzaro taʼsirni oʻz ichiga olgan bir qancha boshqa instrumental texnikalar uchun umumiy boʻlgan asosiy printsiplarga, jumladan SEM-EDS, diffraktsiya (XRD) va toʻlqin uzunligi kabi rentgenografiya usullariga bogʻliq. dispersiv rentgenografiya (WDS mikroprob).
Geologik materiallardagi asosiy mikroelementlarni XRF yordamida tahlil qilish atomlarning nurlanish bilan oʻzaro taʼsiridagi xatti-harakatlari tufayli mumkin. Materiallar qachonYuqori energiyali qisqa toʻlqinli nurlanish (masalan, rentgen nurlari) taʼsirida qoʻzgʻalib, ular ionlashishi mumkin. Agar qattiq ushlangan ichki elektronni siqib chiqarish uchun etarli nurlanish energiyasi bo'lsa, atom beqaror bo'lib qoladi va tashqi elektron etishmayotgan ichki elektronni almashtiradi. Bu sodir bo'lganda, ichki elektron orbitalning tashqi bilan solishtirganda kamaytirilgan bog'lanish energiyasi tufayli energiya chiqariladi. Radiatsiya birlamchi rentgen nuriga qaraganda kamroq energiyaga ega va floresan deb ataladi.
XRF spektrometri ishlaydi, chunki agar namuna kuchli rentgen nurlari bilan yoritilsa, tushuvchi nurlar deb ataladigan bo'lsa, energiyaning bir qismi tarqaladi, lekin bir qismi ham namunada so'riladi, bu uning kimyoviyligiga bog'liq. kompozitsiya.
XAS
X-nurlarini yutish spektroskopiyasi (XAS) - metallning yerdagi elektron holatlaridan qoʻzgʻaluvchan elektron holatlarga (LUMO) va kontinuumga oʻtishni oʻlchash; birinchisi X-nurlarining yutilish yaqin strukturasi (XANES) va ikkinchisi X-ray kengaygan yutilish nozik strukturasi (EXAFS) sifatida tanilgan bo'lib, u elektron chiqarish chegarasidan yuqori bo'lgan energiyalarda yutilishning nozik tuzilishini o'rganadi. Bu ikki usul qoʻshimcha strukturaviy maʼlumot beradi, XANES spektrlari metall uchastkasining elektron tuzilishi va simmetriyasi haqida hisobot beradi va EXAFS yutuvchi elementdan ligandlar va qoʻshni atomlargacha boʻlgan raqamlar, turlar va masofalar haqida hisobot beradi.
XAS bizga qiziq elementning mahalliy tuzilishini oqsil matritsasi, suv yoki havo tomonidan so‘rilishiga xalaqit bermasdan o‘rganish imkonini beradi. Biroq, metallofermentlarning rentgen-spektroskopiyasi namunadagi qiziqish elementining nisbiy konsentratsiyasining kichikligi sababli qiyinchilik tug'dirdi. Bunday holda, standart yondashuv transmissiyani aniqlash rejimidan foydalanish o'rniga, yutilish spektrlarini aniqlash uchun rentgen nurlari floresansidan foydalanish edi. Sinxrotron nurlanishining uchinchi avlod intensiv rentgen manbalarining rivojlanishi suyultirilgan namunalarni ham oʻrganish imkonini berdi.
Metall komplekslari ma'lum tuzilishga ega modellar sifatida metalloproteinlarning XAS ni tushunish uchun zarur edi. Ushbu komplekslar koordinatsion muhitning (koordinatsion zaryad) yutilish chekkasi energiyasiga ta'sirini baholash uchun asos bo'lib xizmat qiladi. Strukturaviy jihatdan yaxshi tavsiflangan model komplekslarini o'rganish, shuningdek, noma'lum tuzilishdagi metall tizimlardan EXAFSni tushunish uchun mezon bo'lib xizmat qiladi.
XAS ning rentgen kristallografiyasidan muhim afzalligi shundaki, qiziq element atrofidagi mahalliy strukturaviy ma'lumotni hatto chang va eritma kabi tartibsiz namunalardan ham olish mumkin. Biroq, membranalar va monokristallar kabi buyurtma qilingan namunalar ko'pincha XAS dan olingan ma'lumotlarni oshiradi. Yo'n altirilgan monokristallar yoki tartiblangan membranalar uchun atomlararo vektor yo'nalishlarini dikroizm o'lchovlaridan xulosa qilish mumkin. Ushbu usullar, ayniqsa, klaster tuzilmalarini aniqlash uchun foydalidir.kislorod chiqaradigan fotosintetik kompleksdagi suvning oksidlanishi bilan bog'liq bo'lgan Mn4Ca klasteri kabi ko'p yadroli metallar. Bundan tashqari, suvning oksidlanish reaktsiyasi siklidagi S-holatlari deb nomlanuvchi oraliq holatlar orasidagi oʻtishlar bilan bogʻliq geometriya/tuzilmadagi juda kichik oʻzgarishlarni XAS yordamida osongina aniqlash mumkin.
Ilovalar
Rentgen-spektroskopiya usullari fanning koʻplab sohalarida, jumladan arxeologiya, antropologiya, astronomiya, kimyo, geologiya, muhandislik va sogʻliqni saqlashda qoʻllaniladi. Uning yordami bilan siz qadimiy artefaktlar va qoldiqlar haqida yashirin ma'lumotlarni topishingiz mumkin. Masalan, Ayova shtatidagi Grinnell kolleji kimyo kafedrasi dotsenti Li Sharp va uning hamkasblari Shimoliy Amerika janubi-g‘arbidagi tarixdan oldingi odamlar tomonidan yaratilgan obsidian o‘q uchlarining kelib chiqishini aniqlash uchun XRF dan foydalanganlar.
Astrofiziklar rentgen spektroskopiyasi tufayli koinotdagi ob'ektlar qanday ishlashi haqida ko'proq bilib olishadi. Misol uchun, Sent-Luisdagi Vashington universiteti tadqiqotchilari qora tuynuklar kabi kosmik jismlarning rentgen nurlarini ularning xarakteristikalari haqida ko'proq bilish uchun kuzatishni rejalashtirmoqda. Eksperimental va nazariy astrofizik Genrik Kravchinski boshchiligidagi jamoa rentgen polarimetri deb ataladigan rentgen spektrometrini chiqarishni rejalashtirmoqda. 2018-yil dekabr oyidan boshlab asbob uzoq vaqt davomida geliy bilan to‘ldirilgan shar bilan Yer atmosferasida osilgan edi.
Yuriy Gogotsi, kimyogar va muhandis,Pensilvaniyadagi Drexel universiteti rentgen spektroskopiyasi orqali tahlil qilingan materiallardan tuzsizlantirish uchun chayqaladigan antennalar va membranalarni yaratadi.
Koʻrinmas chayqaladigan antennalar qalinligi bir necha oʻn nanometrga teng, ammo radio toʻlqinlarini uzatish va yoʻn altirishga qodir. XAS texnikasi nihoyatda yupqa materialning tarkibi to'g'ri bo'lishini ta'minlashga yordam beradi va o'tkazuvchanlikni aniqlashga yordam beradi. "Antennalar yaxshi ishlashi uchun yuqori metall o'tkazuvchanligi talab qilinadi, shuning uchun biz materialni diqqat bilan kuzatib borishimiz kerak", dedi Gogotsi.
Gogotsi va uning hamkasblari natriy kabi maxsus ionlarni filtrlash orqali suvni tuzsizlantiradigan murakkab membranalarning sirt kimyosini tahlil qilish uchun spektroskopiyadan ham foydalanishmoqda.
Tibbiyotda
Rentgen fotoelektron spektroskopiyasi anatomik tibbiy tadqiqotlarning bir qancha sohalarida va amaliyotda, masalan, zamonaviy KT skanerlash mashinalarida qo'llaniladi. Kompyuter tomografiyasi paytida rentgen nurlarini yutish spektrlarini yig'ish (fotonlarni hisoblash yoki spektral skaner yordamida) batafsilroq ma'lumot beradi va tanada nima sodir bo'layotganini, kamroq nurlanish dozalari va kontrast moddalarga (bo'yoqlarga) kamroq yoki keraksizligini aniqlashi mumkin.
