ספקטרוסקופיית רנטגן היא טכניקה המאתרת ומודדת פוטונים, או חלקיקי אור, בעלי אורכי גל בחלק הרנטגן של הספקטרום האלקטרומגנטי. זה משמש כדי לעזור למדענים להבין את התכונות הכימיות והיסודיות של אובייקט.
ישנן מספר שיטות ספקטרוסקופיה רנטגן שונות המשמשות בתחומים רבים של מדע וטכנולוגיה, כולל ארכיאולוגיה, אסטרונומיה והנדסה. ניתן להשתמש בשיטות אלה באופן עצמאי או יחד ליצירת תמונה שלמה יותר של החומר או האובייקט המנותח.
היסטוריה
וילהלם קונראד רונגן, פיזיקאי גרמני, הוענק בפרס נובל הראשון בפיזיקה בשנת 1901 על גילויו של קרני רנטגן בשנת 1895. הטכנולוגיה החדשה שלו הושמעה במהירות על ידי מדענים ורופאים אחרים, על פי המעבדה הלאומית להאצת SLAC.
צ'רלס ברקלה, פיזיקאי בריטי, ערך מחקר בין 1906 ל -1908 שהוביל לגילויו כי קרני רנטגן יכולות להיות אופייניות לחומרים בודדים. עבודתו גם זיכתה אותו בפרס נובל לפיזיקה, אך לא בשנת 1917.
השימוש בספקטרוסקופיית רנטגן החל למעשה מעט קודם לכן, בשנת 1912, החל מצוות אב-ובן של פיזיקאים בריטים, וויליאם הנרי בראג וויליאם לורנס בראג. הם השתמשו בספקטרוסקופיה כדי לבדוק כיצד קרינת רנטגן אינטראקציה עם אטומים בתוך גבישים. הטכניקה שלהם, המכונה קריסטלוגרפיה של רנטגן, הפכה לתקן בשטח בשנה שלאחר מכן והם זכו בפרס נובל לפיזיקה בשנת 1915.
כיצד עובד ספקטרוסקופיית רנטגן
כאשר אטום אינו יציב או מופגז בחלקיקים בעלי אנרגיה גבוהה, האלקטרונים שלו עוברים מרמת אנרגיה אחת לאחרת. כאשר האלקטרונים מסתגלים, האלמנט קולט ומשחרר פוטונים של רנטגן באנרגיה גבוהה באופן האופייני לאטומים המרכיבים את אותו יסוד כימי מסוים. ספקטרוסקופיית רנטגן מודדת את אותם שינויים באנרגיה, המאפשרת למדענים לזהות אלמנטים ולהבין כיצד האטומים בתוך חומרים שונים פועלים ביניהם.
ישנן שתי טכניקות ספקטרוסקופיה רנטגן עיקריות: ספקטרוסקופיית רנטגן המפזרת אורך גל (WDXS) וספקטרוסקופיית רנטגן מפזרת אנרגיה (EDXS). WDXS מודד את קרני הרנטגן באורך גל בודד המופרעים על ידי גביש. EDXS מודד את קרינת הרנטגן הנפלטת על ידי אלקטרונים המגורים על ידי מקור אנרגיה גבוהה של חלקיקים טעונים.
בשתי הטכניקות, אופן פיזור הקרינה, מעיד על המבנה האטומי של החומר ועל כן, היסודות בתוך האובייקט שמנותח.
יישומים מרובים
כיום משתמשים בספקטרוסקופיית רנטגן בתחומים רבים של מדע וטכנולוגיה, כולל ארכיאולוגיה, אסטרונומיה, הנדסה ובריאות.
אנתרופולוגים וארכיאולוגים מסוגלים לגלות מידע נסתר על הממצאים העתיקים והשרידים שהם מוצאים על ידי ניתוחם בעזרת ספקטרוסקופיית רנטגן. לדוגמה, לי שארפ, פרופסור חבר לכימיה במכללת גרינל באיווה, ועמיתיו, השתמשו בשיטה שנקראה ספקטרוסקופיה של קרינת הרנטגן (XRF) כדי לזהות את מקורם של ראשי חץ אובסידיאנים שנעשו על ידי אנשים פרהיסטוריים בדרום מערב צפון אמריקה. הצוות פרסם את תוצאותיו באוקטובר 2018 בכתב העת Journal of Archaeological Science: Reports.
ספקטרוסקופיית רנטגן גם עוזרת לאסטרופיסיקאים ללמוד יותר על אופן פעולתם של עצמים בחלל. לדוגמה, חוקרים מאוניברסיטת וושינגטון בסנט לואיס מתכננים לצפות בקרני רנטגן המגיעות מחפצים קוסמיים, כמו חורים שחורים, כדי ללמוד יותר על מאפייניהם. הצוות, בראשות הנריק קרבצ'ינסקי, אסטרופיזיקאי ניסיוני ותיאורטי, מתכנן להשיק סוג של ספקטרומטר רנטגן המכונה קוטב רנטגן. החל מדצמבר 2018, המכשיר יושעה באטמוספירה של כדור הארץ על ידי בלון ממושך מלא הליום.
יורי גוגוצי, כימאי ומהנדס חומרים מאוניברסיטת דרקסל בפנסילבניה, יוצר אנטנות מרססות וממברנות התפלת מים בעזרת חומרים המנותחים באמצעות ספקטרוסקופיית רנטגן.
האנטנות המתיזות הבלתי נראות הן בעובי של כמה עשרות ננומטר, אך הן מסוגלות להעביר ולכוון גלי רדיו. טכניקה הנקראת ספקטרוסקופיית רנטגן (XAS) מסייעת להבטיח כי הרכב החומר הדק להפליא יהיה נכון ומסייע בקביעת המוליכות. "מוליכות מתכתית גבוהה נדרשת לביצועים טובים של אנטנות, ולכן עלינו לעקוב מקרוב אחר החומר," אמר גוגוצי.
גוגוצי וחבריו משתמשים גם בספקטרוסקופיית רנטגן כדי לנתח את הכימיה השטחית של ממברנות מורכבות המתפלות מים על ידי סינון של יונים ספציפיים, כמו נתרן.
השימוש בספקטרוסקופיית רנטגן ניתן למצוא גם במספר תחומים של מחקר ותרגול רפואי, כמו למשל במכונות סריקת CT מודרניות. איסוף ספקטרום קליטת רנטגן במהלך סריקות CT (באמצעות ספירת פוטונים או סורק CT ספקטרלי) יכול לספק מידע מפורט יותר וניגודיות לגבי המתרחש בתוך הגוף, עם מינון קרינה נמוך יותר מצילומי הרנטגן ופחות או ללא צורך בשימוש חומרי ניגודיות (צבעים), על פי פיונג-אן ט. דונג, מנהל תחום ה- CT במחלקה לרדיולוגיה ומדעי הדמיה באוניברסיטת אמורי בג'ורג'יה.
נוסף קריאה:
- קרא עוד אודות סייר ההדמיה ברנטגן של נאס"א.
- למידע נוסף על רנטגן וספקטרוסקופיה של אובדן אנרגיה, מהמעבדה הלאומית לאנרגיה מתחדשת.
- עיין בסדרה זו של תכניות השיעורים בספקטרוסקופיית צילומי רנטגן של כוכבים, מטעם נאס"א.
