Röntgenspectroscopie is een techniek die fotonen of lichtdeeltjes met golflengten in het röntgengedeelte van het elektromagnetische spectrum detecteert en meet. Het wordt gebruikt om wetenschappers te helpen de chemische en elementaire eigenschappen van een object te begrijpen.
Er zijn verschillende röntgenspectroscopiemethoden die worden gebruikt in veel disciplines van wetenschap en technologie, waaronder archeologie, astronomie en techniek. Deze methoden kunnen afzonderlijk of samen worden gebruikt om een completer beeld te krijgen van het materiaal of object dat wordt geanalyseerd.
Geschiedenis
Wilhelm Conrad Röntgen, een Duitse natuurkundige, ontving in 1901 de eerste Nobelprijs voor natuurkunde voor zijn ontdekking van röntgenstralen in 1895. Zijn nieuwe technologie werd snel gebruikt door andere wetenschappers en artsen, volgens het SLAC National Accelerator Laboratory.
Charles Barkla, een Britse natuurkundige, deed tussen 1906 en 1908 onderzoek dat leidde tot zijn ontdekking dat röntgenstralen karakteristiek kunnen zijn voor individuele stoffen. Zijn werk leverde hem ook een Nobelprijs voor natuurkunde op, maar pas in 1917.
Het gebruik van röntgenspectroscopie begon eigenlijk iets eerder, in 1912, te beginnen met een vader-en-zoon-team van Britse natuurkundigen, William Henry Bragg en William Lawrence Bragg. Ze gebruikten spectroscopie om te bestuderen hoe röntgenstraling interageerde met atomen in kristallen. Hun techniek, röntgenkristallografie genaamd, werd het jaar daarop de norm in het veld en ze ontvingen in 1915 de Nobelprijs voor natuurkunde.
Hoe röntgenspectroscopie werkt
Wanneer een atoom onstabiel is of wordt beschoten met hoogenergetische deeltjes, gaan de elektronen van het ene energieniveau naar het andere. Terwijl de elektronen zich aanpassen, absorbeert en laat het element hoogenergetische röntgenfotonen vrij op een manier die kenmerkend is voor atomen waaruit dat specifieke chemische element bestaat. Röntgenspectroscopie meet die veranderingen in energie, waardoor wetenschappers elementen kunnen identificeren en begrijpen hoe de atomen in verschillende materialen op elkaar inwerken.
Er zijn twee hoofdtechnieken voor röntgenspectroscopie: golflengte-dispersieve röntgenspectroscopie (WDXS) en energiedispersieve röntgenspectroscopie (EDXS). WDXS meet de röntgenstralen van een enkele golflengte die worden afgebogen door een kristal. EDXS meet de röntgenstraling die wordt uitgezonden door elektronen die worden gestimuleerd door een hoogenergetische bron van geladen deeltjes.
In beide technieken geeft de manier waarop de straling wordt verspreid de atoomstructuur van het materiaal aan en dus ook de elementen in het te analyseren object.
Meerdere applicaties
Tegenwoordig wordt röntgenspectroscopie op veel gebieden van wetenschap en technologie gebruikt, waaronder archeologie, astronomie, techniek en gezondheid.
Antropologen en archeologen kunnen verborgen informatie ontdekken over de oude artefacten en overblijfselen die ze vinden door ze te analyseren met röntgenspectroscopie. Lee Sharpe, universitair hoofddocent scheikunde aan het Grinnell College in Iowa, en zijn collega's gebruikten bijvoorbeeld een methode genaamd X-ray fluorescence (XRF) spectroscopie om de oorsprong van obsidiaanpijlpunten gemaakt door prehistorische mensen in het Noord-Amerikaanse zuidwesten te identificeren. Het team publiceerde zijn resultaten in oktober 2018 in het Journal of Archaeological Science: Reports.
Röntgenspectroscopie helpt astrofysici ook om meer te leren over hoe objecten in de ruimte werken. Zo zijn onderzoekers van de Washington University in St. Louis van plan om röntgenstralen te observeren die afkomstig zijn van kosmische objecten, zoals zwarte gaten, om meer te weten te komen over hun kenmerken. Het team, onder leiding van Henric Krawczynski, een experimentele en theoretische astrofysicus, is van plan een type röntgenspectrometer te lanceren, een röntgenpolarimeter. Vanaf december 2018 wordt het instrument in de atmosfeer van de aarde opgehangen door een lange, met helium gevulde ballon.
Yury Gogotsi, een chemicus en materiaalingenieur aan de Drexel University in Pennsylvania, maakt sprayantennes en waterontziltingsmembranen met materialen die zijn geanalyseerd met röntgenspectroscopie.
De onzichtbare sprayantennes zijn slechts enkele tientallen nanometers dik, maar kunnen radiogolven uitzenden en sturen. Een techniek genaamd X-ray absorptiespectroscopie (XAS) helpt ervoor te zorgen dat de samenstelling van het ongelooflijk dunne materiaal correct is en helpt de geleidbaarheid te bepalen. "Voor een goede werking van antennes is een hoge metaalgeleiding vereist, dus we moeten het materiaal nauwlettend volgen", zei Gogotsi.
Gogotsi en zijn collega's gebruiken ook röntgenspectroscopie om de oppervlaktechemie te analyseren van complexe membranen die water ontzilten door specifieke ionen, zoals natrium, uit te filteren.
Het gebruik van röntgenspectroscopie is ook te vinden in verschillende gebieden van medisch onderzoek en praktijk, zoals in moderne CT-scanmachines. Het verzamelen van röntgenabsorptiespectra tijdens CT-scans (via fotontelling of spectrale CT-scanner) kan meer gedetailleerde informatie en contrast opleveren over wat er in het lichaam gebeurt, met lagere stralingsdoses van de röntgenstralen en minder of geen gebruik nodig contrastmaterialen (kleurstoffen), volgens Phuong-Anh T. Duong, directeur van CT bij Emory University Department of Radiology and Imaging Sciences in Georgia.
Verder lezing:
- Lees meer over NASA's Imaging X-Ray Polarimetry Explorer.
- Lees meer over röntgen- en energieverlies-spectroscopie van het National Renewable Energy Laboratory.
- Bekijk deze serie lesplannen over de röntgenspectroscopie van sterren, van NASA.
