Spektroskopi sinar-X adalah teknik yang mengesan dan mengukur foton, atau zarah cahaya, yang mempunyai panjang gelombang dalam bahagian sinar-X spektrum elektromagnetik. Ia digunakan untuk membantu para saintis memahami bahan kimia dan unsur-unsur unsur objek.
Terdapat beberapa kaedah spektroskopi sinar-X yang digunakan dalam banyak bidang sains dan teknologi, termasuk arkeologi, astronomi dan kejuruteraan. Kaedah ini boleh digunakan secara berasingan atau bersama-sama untuk membuat gambaran yang lebih lengkap tentang bahan atau objek yang dianalisis.
Sejarah
Wilhelm Conrad Röntgen, seorang ahli fizik Jerman, dianugerahkan Hadiah Nobel pertama dalam bidang fizik pada tahun 1901 kerana penemuannya pada sinar X pada tahun 1895. Teknologi barunya telah digunakan dengan cepat oleh ahli sains dan pakar perubatan lain, menurut makmal percepatan nasional SLAC.
Charles Barkla, seorang ahli fizik British, menjalankan penyelidikan antara 1906 dan 1908 yang membawa kepada penemuannya bahawa X-ray boleh menjadi ciri-ciri bahan individu. Kerja-kerja beliau juga mendapat Hadiah Nobel dalam bidang fizik, tetapi tidak sampai pada tahun 1917.
Penggunaan spektroskopi sinar-X sebenarnya bermula sedikit lebih awal, pada tahun 1912, bermula dengan pasukan ayah-dan-anak ahli fizik British, William Henry Bragg dan William Lawrence Bragg. Mereka menggunakan spektroskopi untuk mengkaji bagaimana radiasi sinar-X berinteraksi dengan atom dalam kristal. Teknik mereka, yang dipanggil crystallography sinar-X, dibuat standard di lapangan menjelang tahun berikutnya dan mereka memenangi Hadiah Nobel dalam fizik pada tahun 1915.
Bagaimana spektroskopi sinar-X berfungsi
Apabila atom tidak stabil atau dibombardir dengan zarah tenaga tinggi, peralihan elektronnya dari satu tahap tenaga ke tahap yang lain. Apabila elektron menyesuaikan, elemen menyerap dan melepaskan foton sinar-X tenaga tinggi dengan cara yang ciri-ciri atom yang membentuk elemen kimia tertentu. Spektroskopi sinar-X mengukur perubahan tenaga, yang membolehkan saintis mengenal pasti unsur-unsur dan memahami bagaimana atom dalam pelbagai bahan berinteraksi.
Terdapat dua teknik spektroskopi sinar-X utama: spektroskopi sinar-panjang dispersive gelombang (WDXS) dan spektroskopi sinar-X dispersi tenaga (EDXS). WDXS mengukur sinaran X satu gelombang panjang yang difrika oleh kristal. EDXS mengukur sinaran sinar-X yang dipancarkan oleh elektron yang dirangsang oleh sumber tenaga tinggi zarah yang dikenakan.
Dalam kedua-dua teknik, bagaimana radiasi itu tersebar menunjukkan struktur atom bahan dan oleh itu, unsur-unsur dalam objek dianalisis.
Pelbagai aplikasi
Hari ini, spektroskopi sinar-X digunakan dalam banyak bidang sains dan teknologi, termasuk arkeologi, astronomi, kejuruteraan dan kesihatan.
Para ahli antropologi dan ahli arkeologi dapat menemui maklumat tersembunyi tentang artifak kuno dan masih terdapatnya dengan menganalisisnya dengan spektroskopi sinar-X. Sebagai contoh, profesor kimia dari Lee Sharpe, di Grinnell College di Iowa, dan rakan-rakannya, menggunakan kaedah spektroskopi pendarfluor X-ray (XRF) untuk mengenalpasti asal-usul anak panah obsidian yang dibuat oleh orang prasejarah di Southwest Amerika Utara. Pasukan itu menerbitkan hasilnya pada Oktober 2018 dalam Journal of Archaeological Science: Reports.
Spektroskopi sinar-X juga membantu ahli astrofizik mempelajari lebih lanjut tentang bagaimana objek dalam ruang berfungsi. Sebagai contoh, penyelidik dari Washington University di St. Louis merancang untuk memerhatikan sinar-X yang berasal dari objek kosmik, seperti lubang hitam, untuk mengetahui lebih lanjut mengenai ciri-ciri mereka. Pasukan yang diketuai oleh Henric Krawczynski, ahli astrofizik eksperimen dan teori, merancang untuk melancarkan sejenis spektrometer sinar-X yang dikenali sebagai polarimeter sinar-X. Bermula pada Disember 2018, instrumen itu akan digantung di atmosfer bumi dengan belon yang penuh dengan panjang, helium.
Yury Gogotsi, seorang ahli kimia dan bahan kejuruteraan di Drexel University di Pennsylvania, mencipta antena semburan dan membran air-penyahgaraman dengan bahan yang dianalisis oleh spektroskopi sinar-X.
Antena penyemburan yang tidak kelihatan hanya beberapa inci nanometer tebal tetapi dapat menghantar dan mengarahkan gelombang radio. Satu teknik yang dipanggil spektroskopi penyerapan sinar X (XAS) membantu memastikan bahawa komposisi bahan yang sangat nipis adalah betul dan membantu menentukan kekonduksian. "Kekonduksian logam yang tinggi diperlukan untuk prestasi antena yang baik, jadi kita perlu memantau dengan teliti bahan tersebut," kata Gogotsi.
Gogotsi dan rakan-rakannya juga menggunakan spektroskopi sinar-X untuk menganalisis kimia permukaan membran kompleks yang mengeluarkan air dengan menyaring ion tertentu, seperti natrium.
Penggunaan spektroskopi sinar-X juga boleh didapati di beberapa bidang penyelidikan dan amalan perubatan, seperti dalam mesin imbasan CT moden. Mengambil spektrum penyerapan sinar-X semasa imbasan CT (melalui pengambilan foton atau pengimbas CT spektrum) boleh memberikan maklumat yang lebih terperinci dan kontras mengenai apa yang sedang berlaku di dalam badan, dengan dos radiasi yang lebih rendah dari sinaran X dan kurang atau tidak perlu menggunakan bahan kontras (pewarna), menurut Phuong-Anh T. Duong, pengarah CT di Jabatan Emory University, Jabatan Radiologi dan Pengimejan Sains di Georgia.
Selanjutnya membaca:
- Baca lebih lanjut mengenai Explorer Polarimetri X-Ray Pengimejan NASA.
- Ketahui lebih lanjut mengenai X-ray dan Spekroskopi Kerugian Tenaga, dari Makmal Tenaga Diperbaharui Kebangsaan.
- Semak rancangan pelajaran ini mengenai spektroskopi bintang sinar X, dari NASA.
