Phillip Hopkins
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La spettroscopia a raggi X è una tecnica che rileva e misura i fotoni, o particelle di luce, che hanno lunghezze d'onda nella porzione di raggi X dello spettro elettromagnetico. È usato per aiutare gli scienziati a comprendere le proprietà chimiche ed elementali di un oggetto.
Esistono diversi metodi di spettroscopia a raggi X utilizzati in molte discipline scientifiche e tecnologiche, tra cui archeologia, astronomia e ingegneria. Questi metodi possono essere utilizzati indipendentemente o insieme per creare un'immagine più completa del materiale o dell'oggetto analizzato.
Storia
Wilhelm Conrad Röntgen, un fisico tedesco, è stato insignito del primo premio Nobel per la fisica nel 1901 per la sua scoperta dei raggi X nel 1895. La sua nuova tecnologia è stata rapidamente utilizzata da altri scienziati e medici, secondo il SLAC National Accelerator Laboratory.
Charles Barkla, un fisico britannico, condusse una ricerca tra il 1906 e il 1908 che portò alla sua scoperta che i raggi X potevano essere caratteristici di singole sostanze. Il suo lavoro gli valse anche un premio Nobel per la fisica, ma non fino al 1917.
L'uso della spettroscopia a raggi X in realtà iniziò un po 'prima, nel 1912, a partire da un team composto da padre e figlio di fisici britannici, William Henry Bragg e William Lawrence Bragg. Hanno usato la spettroscopia per studiare come la radiazione dei raggi X interagiva con gli atomi all'interno dei cristalli. La loro tecnica, chiamata cristallografia a raggi X, divenne lo standard nel settore entro l'anno successivo e vinsero il Premio Nobel per la fisica nel 1915.
Come funziona la spettroscopia a raggi X.
Quando un atomo è instabile o è bombardato da particelle ad alta energia, i suoi elettroni passano da un livello di energia a un altro. Quando gli elettroni si regolano, l'elemento assorbe e rilascia fotoni a raggi X ad alta energia in un modo che è caratteristico degli atomi che compongono quel particolare elemento chimico. La spettroscopia a raggi X misura quei cambiamenti nell'energia, che consente agli scienziati di identificare gli elementi e capire come interagiscono gli atomi all'interno di vari materiali.
Esistono due principali tecniche di spettroscopia a raggi X: spettroscopia a raggi X a dispersione della lunghezza d'onda (WDXS) e spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (EDXS). WDXS misura i raggi X di una singola lunghezza d'onda che vengono diffratti da un cristallo. EDXS misura la radiazione dei raggi X emessa dagli elettroni stimolati da una fonte ad alta energia di particelle cariche.
In entrambe le tecniche, il modo in cui la radiazione viene dispersa indica la struttura atomica del materiale e quindi gli elementi all'interno dell'oggetto da analizzare.
Molteplici applicazioni
Oggi, la spettroscopia a raggi X viene utilizzata in molte aree della scienza e della tecnologia, tra cui archeologia, astronomia, ingegneria e salute.
Antropologi e archeologi sono in grado di scoprire informazioni nascoste sugli antichi manufatti e resti che trovano analizzandoli con la spettroscopia a raggi X. Ad esempio, Lee Sharpe, professore associato di chimica al Grinnell College in Iowa, e i suoi colleghi, hanno utilizzato un metodo chiamato spettroscopia di fluorescenza a raggi X (XRF) per identificare l'origine delle punte di freccia di ossidiana prodotte da persone preistoriche nel sud-ovest nordamericano. Il team ha pubblicato i suoi risultati nell'ottobre 2018 nel Journal of Archaeological Science: Reports.
La spettroscopia a raggi X aiuta anche gli astrofisici a saperne di più su come funzionano gli oggetti nello spazio. Ad esempio, i ricercatori della Washington University di St. Louis intendono osservare i raggi X che provengono da oggetti cosmici, come i buchi neri, per saperne di più sulle loro caratteristiche. Il team, guidato da Henric Krawczynski, un astrofisico sperimentale e teorico, prevede di lanciare un tipo di spettrometro a raggi X chiamato polarimetro a raggi X. A partire da dicembre 2018, lo strumento sarà sospeso nell'atmosfera terrestre da un pallone di lunga durata riempito di elio.
Yury Gogotsi, chimico e ingegnere dei materiali presso la Drexel University in Pennsylvania, crea antenne spray e membrane per la desalinizzazione dell'acqua con materiali analizzati mediante spettroscopia a raggi X.
Le antenne invisibili a spruzzo hanno uno spessore di poche decine di nanometri ma sono in grado di trasmettere e dirigere le onde radio. Una tecnica chiamata spettroscopia di assorbimento dei raggi X (XAS) aiuta a garantire che la composizione del materiale incredibilmente sottile sia corretta e aiuta a determinare la conduttività. “Per ottenere buone prestazioni delle antenne è necessaria un'elevata conduttività metallica, quindi dobbiamo monitorare attentamente il materiale,” Ha detto Gogotsi.
Gogotsi ei suoi colleghi usano anche la spettroscopia a raggi X per analizzare la chimica superficiale di membrane complesse che desalinizzano l'acqua filtrando ioni specifici, come il sodio.
L'uso della spettroscopia a raggi X può essere trovato anche in diverse aree della ricerca e della pratica medica, come nelle moderne macchine per la TAC. La raccolta degli spettri di assorbimento dei raggi X durante le scansioni TC (tramite conteggio dei fotoni o scanner CT spettrale) può fornire informazioni più dettagliate e contrasto su ciò che sta accadendo all'interno del corpo, con dosi di radiazioni più basse dai raggi X e meno o nessuna necessità di utilizzo materiali di contrasto (coloranti), secondo Phuong-Anh T. Duong, direttore del CT presso il Dipartimento di radiologia e imaging della Emory University in Georgia.
Ulteriore lettura:
- Maggiori informazioni sull'esploratore di polarimetria a raggi X per imaging della NASA.
- Ulteriori informazioni sulla spettroscopia a raggi X e perdita di energia dal National Renewable Energy Laboratory.
- Dai un'occhiata a questa serie di piani di lezione sulla spettroscopia a raggi X delle stelle, della NASA.