La spettroscopia a raggi X è una tecnica che rileva e misura 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 quadro più completo del materiale o dell'oggetto analizzato.
Storia
Wilhelm Conrad Röntgen, un fisico tedesco, ricevette il primo premio Nobel per la fisica nel 1901 per la sua scoperta dei raggi X nel 1895. La sua nuova tecnologia fu rapidamente utilizzata da altri scienziati e medici, secondo lo SLAC National Accelerator Laboratory.
Charles Barkla, un fisico britannico, condusse ricerche tra il 1906 e il 1908 che portarono alla sua scoperta che i raggi X potevano essere caratteristici delle singole sostanze. Il suo lavoro gli è valso anche un premio Nobel per la fisica, ma non fino al 1917.
L'uso della spettroscopia a raggi X iniziò in realtà un po 'prima, nel 1912, a partire da un gruppo padre-figlio di fisici britannici, William Henry Bragg e William Lawrence Bragg. Hanno usato la spettroscopia per studiare come la radiazione a raggi X interagiva con gli atomi all'interno dei cristalli. La loro tecnica, chiamata cristallografia a raggi X, divenne lo standard sul campo l'anno successivo e vinse 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. Mentre gli elettroni si adattano, 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: la spettroscopia a raggi X a dispersione di lunghezza d'onda (WDXS) e la spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (EDXS). WDXS misura i raggi X di una singola lunghezza d'onda che sono diffratti da un cristallo. EDXS misura la radiazione a raggi X emessa da elettroni stimolati da una fonte ad alta energia di particelle cariche.
In entrambe le tecniche, come viene dispersa la radiazione indica la struttura atomica del materiale e quindi gli elementi all'interno dell'oggetto da analizzare.
Applicazioni multiple
Oggi la spettroscopia a raggi X viene utilizzata in molte aree della scienza e della tecnologia, tra cui archeologia, astronomia, ingegneria e salute.
Gli antropologi e gli archeologi sono in grado di scoprire informazioni nascoste sugli antichi manufatti e sui resti che trovano analizzandoli con la spettroscopia a raggi X. Ad esempio, Lee Sharpe, professore associato di chimica presso il Grinnell College nello Iowa, e i suoi colleghi, hanno usato 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 risultati nell'ottobre 2018 nel Journal of Archaeological Science: Reports.
La spettroscopia a raggi X aiuta anche gli astrofisici a imparare di più su come funzionano gli oggetti nello spazio. Ad esempio, i ricercatori della Washington University di St. Louis hanno in programma di osservare i raggi X provenienti da oggetti cosmici, come i buchi neri, per saperne di più sulle loro caratteristiche. Il team, guidato da Henric Krawczynski, un astrofisico teorico e sperimentale, 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 palloncino di elio di lunga durata.
Yury Gogotsi, chimico e ingegnere dei materiali presso la Drexel University in Pennsylvania, crea antenne spray e membrane di dissalazione dell'acqua con materiali analizzati mediante spettroscopia a raggi X.
Le antenne spray invisibili hanno uno spessore di poche decine di nanometri ma sono in grado di trasmettere e dirigere 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 conducibilità. "Per le buone prestazioni delle antenne è necessaria un'elevata conduttività metallica, quindi dobbiamo monitorare attentamente il materiale", ha affermato Gogotsi.
Gogotsi e i suoi colleghi usano anche la spettroscopia a raggi X per analizzare la chimica superficiale delle membrane complesse che dissalano 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 a scansione TC. La raccolta di spettri di assorbimento di raggi X durante le scansioni CT (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 utilizzare materiali a contrasto (coloranti), secondo Phuong-Anh T. Duong, direttore del CT presso il Dipartimento di Radiologia e Scienze per immagini dell'Emory University in Georgia.
Ulteriore lettura:
- Ulteriori informazioni sull'Esploratore di polarimetria a raggi X per immagini della NASA.
- Ulteriori informazioni sulla spettroscopia di 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, dalla NASA.
