للأشعة السينية عدد من الخصائص الفريدة مثل الإشعاع الذي يتجاوز أطوالها الموجية القصيرة جدًا. تعتبر انتقائية العناصر إحدى خصائصها المهمة للعلم. من خلال اختيار وفحص أطياف العناصر الفردية الموجودة في أماكن فريدة من نوعها في الجزيئات المعقدة ، لدينا "مستشعر ذري" محلي. من خلال فحص هذه الذرات في أوقات مختلفة بعد إثارة الهيكل بالضوء ، يمكننا تتبع تطور التغيرات الإلكترونية والهيكلية حتى في الأنظمة المعقدة للغاية ، أو بعبارة أخرى ، يمكننا تتبع الإلكترون من خلال الجزيء ومن خلال الواجهات.
التاريخ
مخترع التصوير الشعاعي هو فيلهلم كونراد رونتجن. ذات مرة ، عندما كان أحد العلماء يحقق في قدرة المواد المختلفة على إيقاف الأشعة ، وضع قطعة صغيرة من الرصاص في موضعها أثناء حدوث التفريغ. لذاوهكذا ، رأى رونتجن أول صورة بالأشعة السينية ، وهيكله العظمي الشبحي المتلألئ على شاشة من بلاتينوسيانيد الباريوم. وذكر لاحقًا أنه في هذه المرحلة قرر مواصلة تجاربه في الخفاء لأنه يخشى على سمعته المهنية إذا كانت ملاحظاته خاطئة. حصل العالم الألماني على جائزة نوبل الأولى في الفيزياء عام 1901 لاكتشافه الأشعة السينية عام 1895. وفقًا لـ SLAC National Accelerator Laboratory ، تم اعتماد تقنيته الجديدة بسرعة من قبل علماء وأطباء آخرين.
أجرى تشارلز باركلا ، الفيزيائي البريطاني ، بحثًا بين عامي 1906 و 1908 أدى إلى اكتشافه أن الأشعة السينية يمكن أن تكون مميزة لبعض المواد. أكسبه عمله أيضًا جائزة نوبل في الفيزياء ، ولكن فقط في عام 1917.
بدأ استخدام التحليل الطيفي بالأشعة السينية قبل ذلك بقليل ، في عام 1912 ، بدءًا من التعاون بين والد وابن الفيزيائيين البريطانيين ، ويليام هنري براج وويليام لورانس براغ. استخدموا التحليل الطيفي لدراسة تفاعل الأشعة السينية مع الذرات داخل البلورات. أصبحت تقنيتهم ، التي تسمى علم البلورات بالأشعة السينية ، هي المعيار في هذا المجال بحلول العام التالي ، وحصلوا على جائزة نوبل في الفيزياء في عام 1915.
في العمل
في السنوات الأخيرة ، تم استخدام مقياس طيف الأشعة السينية في مجموعة متنوعة من الطرق الجديدة والمثيرة. يوجد على سطح المريخ مطياف للأشعة السينية يتم تجميعهمعلومات عن العناصر التي تتكون منها التربة. تم استخدام قوة الحزم للكشف عن الطلاء المحتوي على الرصاص في الألعاب ، مما قلل من خطر التسمم بالرصاص. يمكن رؤية الشراكة بين العلم والفن في استخدام التصوير الشعاعي عند استخدامه في المتاحف لتحديد العناصر التي يمكن أن تلحق الضرر بالمجموعات.
مبادئ العمل
عندما تكون الذرة غير مستقرة أو تتعرض للقصف بجسيمات عالية الطاقة ، تقفز إلكتروناتها بين مستويات الطاقة. عندما تتكيف الإلكترونات ، يمتص العنصر ويطلق فوتونات الأشعة السينية عالية الطاقة بطريقة مميزة للذرات التي يتكون منها هذا العنصر الكيميائي المحدد. باستخدام التحليل الطيفي للأشعة السينية ، يمكن تحديد التقلبات في الطاقة. يتيح لك هذا تحديد الجسيمات ورؤية تفاعل الذرات في بيئات مختلفة.
هناك طريقتان رئيسيتان للتحليل الطيفي للأشعة السينية: تشتت الطول الموجي (WDXS) وتشتت الطاقة (EDXS). يقيس WDXS الأشعة السينية ذات الطول الموجي الفردي التي تنحرف على بلورة. يقيس EDXS الأشعة السينية المنبعثة من الإلكترونات المحفزة بمصدر عالي الطاقة من الجسيمات المشحونة.
يشير تحليل التحليل الطيفي للأشعة السينية في كلتا طريقتين لتوزيع الإشعاع إلى التركيب الذري للمادة ، وبالتالي العناصر داخل الجسم الذي تم تحليله.
تقنيات التصوير الشعاعي
هناك عدة طرق مختلفة للأشعة السينية والتحليل الطيفي البصري للطيف الإلكتروني ، والتي تستخدم في العديد من مجالات 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 تم تحليله.
WDXS
التحليل الطيفي للإلكترون بالأشعة السينية (WDXS) هو طريقة مطيافية كمية حساسة للسطح تقيس التركيب الأولي في مجموعة من الأجزاء على سطح المادة قيد الدراسة ، كما تحدد الصيغة التجريبية والحالة الكيميائية و الحالة الإلكترونية للعناصر الموجودة في المادة. ببساطة ، تعد WDXS طريقة قياس مفيدة لأنها لا تُظهر فقط الميزات الموجودة داخل الفيلم ، ولكن أيضًا الميزات التي يتم تشكيلها بعد المعالجة.
يتم الحصول على أطياف الأشعة السينية عن طريق تشعيع مادة بحزمة من الأشعة السينية مع قياس الطاقة الحركية وعدد الإلكترونات في نفس الوقت من الجزء العلوي من 0-10 نانومتر للمادة التي تم تحليلها. يتطلب WDXS فراغًا عاليًا (P ~ 10-8 مليبار) أو فراغ عالي جدًا (UHV ؛ P <10-9 مليبار). على الرغم من أنه يجري حاليًا تطوير WDXS تحت الضغط الجوي ، حيث يتم تحليل العينات تحت ضغط عشرات المليبار.
ESCA (التحليل الطيفي الإلكتروني للأشعة السينية للتحليل الكيميائي) هو اختصار صاغه فريق بحث كاي سيغبان للتأكيد على المعلومات الكيميائية (وليس العناصر فقط) التي توفرها التقنية. في الممارسة العملية ، باستخدام مصادر معملية نموذجيةالأشعة السينية ، تكتشف XPS جميع العناصر ذات العدد الذري (Z) من 3 (الليثيوم) وما فوق. لا يمكنه بسهولة اكتشاف الهيدروجين (Z=1) أو الهيليوم (Z=2).
EDXS
التحليل الطيفي للأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDXS) هي تقنية تحليل كيميائي دقيقة تستخدم جنبًا إلى جنب مع الفحص المجهري الإلكتروني (SEM). تكتشف طريقة EDXS الأشعة السينية المنبعثة من عينة عند قصفها بحزمة إلكترونية لتوصيف التركيب الأولي للحجم الذي تم تحليله. يمكن تحليل عناصر أو مراحل صغيرة مثل 1 ميكرومتر.
عندما يتم قصف عينة بحزمة إلكترونية من SEM ، يتم طرد الإلكترونات من الذرات التي يتكون منها سطح العينة. تمتلئ فراغات الإلكترون الناتجة بإلكترونات من حالة أعلى ، وتنبعث الأشعة السينية لموازنة فرق الطاقة بين حالات الإلكترونين. تعتبر طاقة الأشعة السينية من سمات العنصر الذي انبعثت منه.
يقيس كاشف الأشعة السينية EDXS الكمية النسبية للأشعة المنبعثة اعتمادًا على طاقتها. عادة ما يكون الكاشف عبارة عن جهاز من مادة الليثيوم الصلبة ذات الانجراف السليكوني. عندما تصطدم حزمة الأشعة السينية بالكاشف ، فإنها تخلق نبضة شحنة تتناسب مع طاقة الأشعة السينية. يتم تحويل نبضة الشحن إلى نبضة جهد (تظل متناسبة مع طاقة الأشعة السينية) عن طريق مضخم أولي حساس للشحن.ثم يتم إرسال الإشارة إلى محلل متعدد القنوات حيث يتم فرز النبضات حسب الجهد. يتم إرسال الطاقة المحددة من قياس الجهد لكل أشعة سينية إلى جهاز كمبيوتر لعرضها وتقييمها بشكل أكبر للبيانات. يتم تقدير طيف طاقة الأشعة السينية مقابل العدد لتحديد التركيب الأولي لحجم العينة.
XRF
يستخدم التحليل الطيفي للأشعة السينية (XRF) للتحليل الكيميائي الروتيني غير المدمر نسبيًا للصخور والمعادن والرواسب والسوائل. ومع ذلك ، لا يستطيع XRF عادةً التحليل بأحجام بقعة صغيرة (2-5 ميكرون) ، لذلك يتم استخدامه عادةً لتحليل الأجزاء الكبيرة من المواد الجيولوجية. تجعل السهولة النسبية والتكلفة المنخفضة لتحضير العينة ، فضلاً عن ثبات أجهزة قياس الطيف بالأشعة السينية وسهولة استخدامها ، هذه الطريقة واحدة من أكثر الطرق استخدامًا لتحليل العناصر النزرة الرئيسية في الصخور والمعادن والرواسب.
تعتمد فيزياء XRF XRF على المبادئ الأساسية المشتركة للعديد من التقنيات الآلية الأخرى التي تتضمن التفاعلات بين حزم الإلكترون والأشعة السينية على العينات ، بما في ذلك تقنيات التصوير الشعاعي مثل SEM-EDS والحيود (XRD) وطول الموجة التصوير الشعاعي المشتت (الميكروبروب WDS).
تحليل العناصر النزرة الرئيسية في المواد الجيولوجية بواسطة XRF ممكن بسبب سلوك الذرات عندما تتفاعل مع الإشعاع. عندما المواديمكن أن تتأين بإثارة إشعاع قصير الموجة عالي الطاقة (مثل الأشعة السينية). إذا كانت هناك طاقة إشعاعية كافية لإزاحة الإلكترون الداخلي المحكم بإحكام ، تصبح الذرة غير مستقرة ويحل الإلكترون الخارجي محل الإلكترون الداخلي المفقود. عندما يحدث هذا ، يتم إطلاق الطاقة بسبب انخفاض طاقة الارتباط لمدار الإلكترون الداخلي مقارنةً بالطاقة الخارجية. يحتوي الإشعاع على طاقة أقل من الأشعة السينية الساقطة الأولية ويسمى الفلورسنت.
يعمل مطياف XRF لأنه إذا أضاءت عينة بحزمة أشعة سينية مكثفة ، والمعروفة باسم الحزمة العارضة ، فإن بعض الطاقة متناثرة ، ولكن يتم امتصاص بعضها أيضًا في العينة ، وهو ما يعتمد على كيميائي لها تكوين.
XAS
مطياف امتصاص الأشعة السينية (XAS) هو قياس التحولات من الحالات الإلكترونية الأرضية للمعدن إلى الحالات الإلكترونية المثارة (LUMO) والاستمرارية ؛ يُعرف الأول باسم الهيكل القريب لامتصاص الأشعة السينية (XANES) والأخير باسم الهيكل الدقيق للامتصاص الممتد للأشعة السينية (EXAFS) ، والذي يدرس البنية الدقيقة للامتصاص عند طاقات أعلى من عتبة إطلاق الإلكترون. توفر هاتان الطريقتان معلومات هيكلية إضافية ، أطياف XANES تبلغ عن الهيكل الإلكتروني وتماثل الموقع المعدني ، وأرقام تقارير EXAFS وأنواعها ومسافاتها إلى الروابط والذرات المجاورة من عنصر الامتصاص.
يسمح لنا XAS بدراسة التركيب المحلي لعنصر الاهتمام دون تدخل من امتصاص مصفوفة البروتين أو الماء أو الهواء. ومع ذلك ، فقد كان التحليل الطيفي للأشعة السينية للأنزيمات المعدنية يمثل تحديًا بسبب التركيز النسبي الصغير للعنصر محل الاهتمام في العينة. في مثل هذه الحالة ، كان النهج القياسي هو استخدام مضان الأشعة السينية للكشف عن أطياف الامتصاص بدلاً من استخدام وضع كشف الإرسال. لقد أتاح تطوير مصادر الأشعة السينية المكثفة من الجيل الثالث لإشعاع السنكروترون أيضًا دراسة العينات المخففة.
كانت المجمعات المعدنية ، كنماذج ذات هياكل معروفة ، ضرورية لفهم XAS للبروتينات المعدنية. توفر هذه المجمعات الأساس لتقييم تأثير وسيط التنسيق (شحنة التنسيق) على طاقة حافة الامتصاص. توفر دراسة مجمعات النماذج ذات الخصائص الهيكلية الجيدة أيضًا معيارًا لفهم EXAFS من الأنظمة المعدنية ذات البنية غير المعروفة.
من المزايا المهمة لـ XAS على علم البلورات بالأشعة السينية أنه يمكن الحصول على المعلومات الهيكلية المحلية حول عنصر الاهتمام حتى من العينات غير المنتظمة مثل المساحيق والمحلول. ومع ذلك ، فإن العينات المطلوبة مثل الأغشية والبلورات المفردة غالبًا ما تزيد من المعلومات التي يتم الحصول عليها من XAS. بالنسبة للبلورات الفردية الموجهة أو الأغشية المرتبة ، يمكن الاستدلال على اتجاهات المتجهات بين الذرية من قياسات ثنائية اللون. هذه الطرق مفيدة بشكل خاص لتحديد الهياكل العنقودية.المعادن متعددة النوى مثل مجموعة Mn4Ca المرتبطة بأكسدة الماء في مجمع التمثيل الضوئي الذي يطلق الأكسجين. علاوة على ذلك ، يمكن بسهولة اكتشاف التغييرات الصغيرة في الهندسة / البنية المرتبطة بالانتقالات بين الحالات الوسيطة ، والمعروفة باسم S-state ، في دورة تفاعل أكسدة الماء باستخدام XAS.
التطبيقات
تُستخدم تقنيات التحليل الطيفي للأشعة السينية في العديد من مجالات العلوم ، بما في ذلك علم الآثار والأنثروبولوجيا وعلم الفلك والكيمياء والجيولوجيا والهندسة والصحة العامة. بمساعدتها ، يمكنك اكتشاف المعلومات المخفية حول القطع الأثرية القديمة والآثار. على سبيل المثال ، استخدم Lee Sharp ، الأستاذ المساعد في الكيمياء في كلية Grinnell College في ولاية أيوا ، وزملاؤه XRF لتتبع أصل رؤوس سهام السبج التي صنعها أشخاص ما قبل التاريخ في جنوب غرب أمريكا الشمالية.
سيتعلم علماء الفيزياء الفلكية ، بفضل التحليل الطيفي بالأشعة السينية ، المزيد حول كيفية عمل الأجسام في الفضاء. على سبيل المثال ، يخطط الباحثون في جامعة واشنطن في سانت لويس لمراقبة الأشعة السينية من الأجسام الكونية مثل الثقوب السوداء لمعرفة المزيد عن خصائصها. يخطط فريق بقيادة Henryk Kravczynski ، عالم الفيزياء الفلكية التجريبية والنظرية ، لإطلاق مطياف الأشعة السينية يسمى مقياس قطبية الأشعة السينية. بدءًا من ديسمبر 2018 ، تم تعليق الجهاز في الغلاف الجوي للأرض بمنطاد مملوء بالهيليوم لفترة طويلة.
يوري غوغوتسي ، كيميائي ومهندس ،تنشئ جامعة دريكسيل في بنسلفانيا هوائيات وأغشية متناثرة لتحلية المياه من المواد التي تم تحليلها بواسطة التحليل الطيفي بالأشعة السينية.
الهوائيات المتناثرة غير المرئية لا يتجاوز سمكها بضع عشرات من النانومترات ، لكنها قادرة على إرسال موجات الراديو وتوجيهها. تساعد تقنية XAS على التأكد من أن تركيبة المادة الرقيقة بشكل لا يصدق صحيحة وتساعد على تحديد التوصيلية. قال Gogotsi: "تتطلب الهوائيات موصلية معدنية عالية للعمل بشكل جيد ، لذلك علينا مراقبة المواد عن كثب".
يستخدم Gogotzi وزملاؤه أيضًا التحليل الطيفي لتحليل الكيمياء السطحية للأغشية المعقدة التي تعمل على تحلية المياه عن طريق تصفية أيونات معينة مثل الصوديوم.
في الطب
يجد التحليل الطيفي للإلكترون بالأشعة السينية تطبيقًا في العديد من مجالات البحث الطبي التشريحي وفي الممارسة ، على سبيل المثال ، في آلات التصوير المقطعي المحوسب الحديثة. يمكن أن يوفر جمع أطياف امتصاص الأشعة السينية أثناء الفحص بالتصوير المقطعي المحوسب (باستخدام عد الفوتون أو الماسح الطيفي) معلومات أكثر تفصيلاً وتحديد ما يحدث داخل الجسم ، مع جرعات إشعاع أقل مع وجود حاجة أقل أو عدم وجود مواد تباين (الأصباغ).
