ما هو مطيافية الأشعة السينية؟

التحليل الطيفي بالأشعة السينية هو تقنية تكتشف وتقيس الفوتونات ، أو جزيئات الضوء ، التي لها أطوال موجية في جزء الأشعة السينية من الطيف الكهرومغناطيسي. يتم استخدامه لمساعدة العلماء على فهم الخصائص الكيميائية والعناصر للجسم.

هناك العديد من طرق التحليل الطيفي بالأشعة السينية المختلفة التي يتم استخدامها في العديد من تخصصات العلوم والتكنولوجيا ، بما في ذلك علم الآثار وعلم الفلك والهندسة. يمكن استخدام هذه الطرق بشكل مستقل أو معًا لإنشاء صورة أكثر اكتمالاً للمادة أو الكائن الذي يتم تحليله.

التاريخ

حصل فيلهلم كونراد رونتجن ، الفيزيائي الألماني ، على جائزة نوبل الأولى في الفيزياء عام 1901 لاكتشافه الأشعة السينية عام 1895. وسرعان ما تم استخدام تقنيته الجديدة بسرعة من قبل علماء وأطباء آخرين ، وفقًا لمختبر تسريع SLAC الوطني.

أجرى الفيزيائي البريطاني تشارلز باركلا بحثًا بين عامي 1906 و 1908 أدى إلى اكتشافه أن الأشعة السينية يمكن أن تكون مميزة للمواد الفردية. حصل عمله أيضًا على جائزة نوبل في الفيزياء ، ولكن ليس حتى عام 1917.

بدأ استخدام التحليل الطيفي بالأشعة السينية بالفعل قبل ذلك بقليل ، في عام 1912 ، بدءًا من فريق الأب والابن من الفيزيائيين البريطانيين ، ويليام هنري براج وويليام لورانس براج. استخدموا التحليل الطيفي لدراسة كيفية تفاعل إشعاع الأشعة السينية مع الذرات داخل البلورات. أصبحت تقنيتهم ​​، التي تسمى بلورات الأشعة السينية ، المعيار في هذا المجال في العام التالي وفازوا بجائزة نوبل في الفيزياء في عام 1915.

كيف يعمل التحليل الطيفي بالأشعة السينية

عندما تكون الذرة غير مستقرة أو يتم قصفها بجسيمات عالية الطاقة ، تنتقل إلكتروناتها من مستوى طاقة إلى آخر. مع ضبط الإلكترونات ، يمتص العنصر ويطلق فوتونات الأشعة السينية عالية الطاقة بطريقة مميزة للذرات التي تشكل هذا العنصر الكيميائي المعين. يقيس التحليل الطيفي بالأشعة السينية تلك التغيرات في الطاقة ، والتي تسمح للعلماء بتحديد العناصر وفهم كيفية تفاعل الذرات في المواد المختلفة.

هناك طريقتان رئيسيتان لتقنية التحليل الطيفي للأشعة السينية: التحليل الطيفي للأشعة السينية (WDXS) و التحليل الطيفي للأشعة السينية (EDXS). يقيس WDXS الأشعة السينية ذات الطول الموجي المفرد التي تشتتها البلورة. يقيس EDXS إشعاع الأشعة السينية المنبعثة من الإلكترونات التي يحفزها مصدر عالي الطاقة للجسيمات المشحونة.

في كلتا الطريقتين ، تشير كيفية انتشار الإشعاع إلى التركيب الذري للمادة وبالتالي العناصر الموجودة داخل الجسم الذي يتم تحليله.

تطبيقات متعددة

اليوم ، يتم استخدام التحليل الطيفي بالأشعة السينية في العديد من مجالات العلوم والتكنولوجيا ، بما في ذلك علم الآثار وعلم الفلك والهندسة والصحة.

إن علماء الأنثروبولوجيا وعلماء الآثار قادرون على اكتشاف المعلومات المخفية حول القطع الأثرية القديمة والبقايا التي يجدونها من خلال تحليلها باستخدام التحليل الطيفي بالأشعة السينية. على سبيل المثال ، استخدم لي شارب ، أستاذ الكيمياء المساعد في كلية غرينيل في ولاية أيوا ، وزملاؤه ، طريقة تسمى التحليل الطيفي بالأشعة السينية (XRF) لتحديد أصل رؤوس السُجج التي صنعها أناس ما قبل التاريخ في جنوب غرب أمريكا الشمالية. نشر الفريق نتائجه في أكتوبر 2018 في مجلة علوم الآثار: التقارير.

يساعد التحليل الطيفي بالأشعة السينية أيضًا علماء الفيزياء الفلكية على معرفة المزيد عن كيفية عمل الأجسام في الفضاء. على سبيل المثال ، يخطط باحثون من جامعة واشنطن في سانت لويس لمراقبة الأشعة السينية التي تأتي من الأجسام الكونية ، مثل الثقوب السوداء ، لمعرفة المزيد عن خصائصها. يخطط الفريق ، بقيادة Henric Krawczynski ، عالم الفيزياء الفلكية التجريبية والنظرية ، لإطلاق نوع من مطياف الأشعة السينية يسمى مقياس الاستقطاب بالأشعة السينية. بدءًا من ديسمبر 2018 ، سيتم تعليق الجهاز في الغلاف الجوي للأرض بواسطة بالون طويل مملوء بالهيليوم.

يوري جوغوتسي ، كيميائي ومهندس مواد في جامعة دريكسيل في ولاية بنسلفانيا ، يبتكر هوائيات الرش وأغشية تحلية المياه بمواد يتم تحليلها بواسطة التحليل الطيفي بالأشعة السينية.

يبلغ سمك الهوائيات المرئية غير المرئية بضع عشرات نانومتر ولكنها قادرة على إرسال موجات الراديو وتوجيهها. تساعد تقنية تسمى التحليل الطيفي لامتصاص الأشعة السينية (XAS) على ضمان صحة تركيب المادة الرقيقة بشكل لا يصدق وتساعد على تحديد الموصلية. قال غوغوتسي: "إن التوصيل المعدني العالي مطلوب من أجل الأداء الجيد للهوائيات ، لذا يتعين علينا مراقبة المواد عن كثب".

يستخدم Gogotsi وزملاؤه أيضًا التحليل الطيفي بالأشعة السينية لتحليل الكيمياء السطحية للأغشية المعقدة التي تقوم بتحلية المياه عن طريق تصفية أيونات محددة ، مثل الصوديوم.

يمكن أيضًا العثور على استخدام التحليل الطيفي بالأشعة السينية في العديد من مجالات البحث والممارسة الطبية ، كما هو الحال في أجهزة المسح المقطعي الحديثة. يمكن أن يوفر جمع أطياف امتصاص الأشعة السينية أثناء عمليات التصوير المقطعي المحوسب (عبر الفوتون أو الماسح الضوئي الطيفي) معلومات أكثر تفصيلاً وتباينًا حول ما يجري داخل الجسم ، مع جرعات إشعاعية أقل من الأشعة السينية وأقل أو لا حاجة لاستخدامها مواد التباين (الأصباغ) ، وفقًا لـ Phuong-Anh T. Duong ، مدير التصوير المقطعي في قسم الأشعة وعلوم التصوير في جامعة إيموري.

بالإضافة إلى ذلك قراءة:

• اقرأ المزيد عن NASA's Imaging X-Ray Polarimetry Explorer.
• تعرف على المزيد حول الأشعة السينية و مطيافية فقدان الطاقة ، من المختبر الوطني للطاقة المتجددة.
• تحقق من هذه السلسلة من خطط الدروس حول مطيافية الأشعة السينية للنجوم من وكالة ناسا.