Quang phổ tia X là một kỹ thuật phát hiện và đo các photon, hoặc các hạt ánh sáng, có bước sóng trong phần tia X của phổ điện từ. Nó được sử dụng để giúp các nhà khoa học hiểu các tính chất hóa học và nguyên tố của một vật thể.
Có một số phương pháp quang phổ tia X khác nhau được sử dụng trong nhiều ngành khoa học và công nghệ, bao gồm khảo cổ học, thiên văn học và kỹ thuật. Các phương pháp này có thể được sử dụng độc lập hoặc cùng nhau để tạo ra một bức tranh đầy đủ hơn về vật liệu hoặc đối tượng được phân tích.
Lịch sử
Phòng thí nghiệm vật lý của Đức đã được đưa ra để nhận giải thưởng Nobel vật lý đầu tiên vào năm 1901. Công nghệ mới của ông nhanh chóng được các nhà khoa học và bác sĩ khác sử dụng.
Charles Barkla, một nhà vật lý người Anh, đã tiến hành nghiên cứu từ năm 1906 đến 1908 dẫn đến việc ông phát hiện ra rằng tia X có thể là đặc trưng của các chất riêng lẻ. Công việc của ông cũng mang lại cho ông một giải thưởng Nobel về vật lý, nhưng mãi đến năm 1917.
Việc sử dụng quang phổ tia X thực sự đã bắt đầu sớm hơn một chút, vào năm 1912, bắt đầu với một nhóm cha và con của các nhà vật lý người Anh, William Henry Bragg và William Lawrence Bragg. Họ đã sử dụng phương pháp quang phổ để nghiên cứu cách bức xạ tia X tương tác với các nguyên tử trong tinh thể. Kỹ thuật của họ, được gọi là tinh thể học tia X, đã trở thành tiêu chuẩn trong lĩnh vực này vào năm sau và họ đã giành giải thưởng Nobel về vật lý năm 1915.
Phương pháp quang phổ tia X hoạt động như thế nào
Khi một nguyên tử không ổn định hoặc bị bắn phá bởi các hạt năng lượng cao, các electron của nó chuyển từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác. Khi các electron điều chỉnh, nguyên tố này hấp thụ và giải phóng các photon tia X năng lượng cao theo cách đặc trưng của các nguyên tử tạo nên nguyên tố hóa học cụ thể đó. Quang phổ tia X đo những thay đổi về năng lượng, cho phép các nhà khoa học xác định các nguyên tố và hiểu cách các nguyên tử trong các vật liệu khác nhau tương tác.
Có hai kỹ thuật quang phổ tia X chính: quang phổ tia X phân tán bước sóng (WDXS) và quang phổ tia X phân tán năng lượng (EDXS). WDXS đo các tia X của bước sóng đơn bị nhiễu xạ bởi một tinh thể. EDXS đo bức xạ tia X phát ra từ các electron được kích thích bởi một nguồn năng lượng cao của các hạt tích điện.
Trong cả hai kỹ thuật, làm thế nào bức xạ được phân tán chỉ ra cấu trúc nguyên tử của vật liệu và do đó, các yếu tố bên trong vật thể được phân tích.
Nhiều ứng dụng
Ngày nay, quang phổ tia X được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ, bao gồm khảo cổ học, thiên văn học, kỹ thuật và y tế.
Các nhà nhân chủng học và khảo cổ học có thể khám phá thông tin ẩn giấu về các cổ vật cổ xưa và những gì họ tìm thấy bằng cách phân tích chúng bằng quang phổ tia X. Ví dụ, Lee Sharpe, phó giáo sư hóa học tại Đại học Grinnell ở Iowa, và các đồng nghiệp của ông, đã sử dụng một phương pháp gọi là quang phổ huỳnh quang tia X (XRF) để xác định nguồn gốc của đầu mũi tên obsidian do người tiền sử ở Tây Nam Mỹ thực hiện. Nhóm nghiên cứu đã công bố kết quả của mình vào tháng 10 năm 2018 trên Tạp chí Khoa học khảo cổ: Báo cáo.
Quang phổ tia X cũng giúp các nhà vật lý thiên văn tìm hiểu thêm về cách các vật thể trong không gian hoạt động. Ví dụ, các nhà nghiên cứu từ Đại học Washington ở St. Louis có kế hoạch quan sát tia X đến từ các vật thể vũ trụ, như lỗ đen, để tìm hiểu thêm về đặc điểm của chúng. Nhóm nghiên cứu, dẫn đầu bởi Henric Krawczynski, một nhà vật lý thiên văn thực nghiệm và lý thuyết, dự định tung ra một loại quang phổ kế tia X gọi là phân cực kế tia X. Bắt đầu từ tháng 12 năm 2018, nhạc cụ sẽ bị treo lơ lửng trong bầu khí quyển của Trái đất bởi một khinh khí cầu chứa đầy heli trong thời gian dài.
Yury Gogotsi, một nhà hóa học và kỹ sư vật liệu tại Đại học Drexel ở Pennsylvania, tạo ra ăng ten phun và màng khử mặn bằng vật liệu được phân tích bằng quang phổ tia X.
Các ăng ten phun vô hình chỉ dày vài chục nanomet nhưng có thể truyền và truyền sóng vô tuyến trực tiếp. Một kỹ thuật gọi là quang phổ hấp thụ tia X (XAS) giúp đảm bảo rằng thành phần của vật liệu cực kỳ mỏng là chính xác và giúp xác định độ dẫn. Sự dẫn điện của kim loại cao là cần thiết để có hiệu suất tốt của ăng-ten, vì vậy chúng tôi phải theo dõi chặt chẽ vật liệu, theo ông Gordon Gogotsi.
Gogotsi và các đồng nghiệp của ông cũng sử dụng quang phổ tia X để phân tích hóa học bề mặt của các màng phức tạp khử mặn nước bằng cách lọc ra các ion cụ thể, chẳng hạn như natri.
Việc sử dụng quang phổ tia X cũng có thể được tìm thấy trong một số lĩnh vực nghiên cứu và thực hành y tế, chẳng hạn như trong các máy quét CT hiện đại. Thu thập phổ hấp thụ tia X trong khi quét CT (thông qua đếm photon hoặc máy quét CT quang phổ) có thể cung cấp thông tin chi tiết và độ tương phản về những gì đang diễn ra bên trong cơ thể, với liều phóng xạ thấp hơn từ tia X và ít hơn hoặc không cần sử dụng vật liệu tương phản (thuốc nhuộm), theo Phương-Anh T. Duong, giám đốc CT tại Khoa Khoa học X quang và Hình ảnh Đại học Emory ở Georgia.
Thêm nữa đọc hiểu:
- Tìm hiểu thêm về thám hiểm phân cực hình ảnh X-Ray của NASA.
- Tìm hiểu thêm về X-quang và Quang phổ tổn thất năng lượng, từ Phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia.
- Kiểm tra loạt giáo án này về quang phổ tia X của các ngôi sao, từ NASA.
