Yurii Mongol
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La espectroscopia de rayos X es una técnica que detecta y mide fotones, o partículas de luz, que tienen longitudes de onda en la porción de rayos X del espectro electromagnético. Se utiliza para ayudar a los científicos a comprender las propiedades químicas y elementales de un objeto..
Hay varios métodos diferentes de espectroscopia de rayos X que se utilizan en muchas disciplinas de la ciencia y la tecnología, incluida la arqueología, la astronomía y la ingeniería. Estos métodos se pueden utilizar de forma independiente o conjunta para crear una imagen más completa del material u objeto que se analiza..
Historia
Wilhelm Conrad Röntgen, un físico alemán, recibió el primer premio Nobel de física en 1901 por su descubrimiento de los rayos X en 1895. Su nueva tecnología fue rápidamente utilizada por otros científicos y médicos, según el Laboratorio Nacional Acelerador de SLAC..
Charles Barkla, un físico británico, realizó una investigación entre 1906 y 1908 que lo llevó a descubrir que los rayos X podrían ser característicos de sustancias individuales. Su trabajo también le valió el Premio Nobel de Física, pero no hasta 1917..
El uso de la espectroscopia de rayos X en realidad comenzó un poco antes, en 1912, comenzando con un equipo de físicos británicos formado por padre e hijo, William Henry Bragg y William Lawrence Bragg. Utilizaron la espectroscopia para estudiar cómo la radiación de rayos X interactuaba con los átomos dentro de los cristales. Su técnica, llamada cristalografía de rayos X, se convirtió en el estándar en el campo al año siguiente y ganaron el Premio Nobel de Física en 1915..
Cómo funciona la espectroscopia de rayos X
Cuando un átomo es inestable o es bombardeado con partículas de alta energía, sus electrones pasan de un nivel de energía a otro. A medida que los electrones se ajustan, el elemento absorbe y libera fotones de rayos X de alta energía de una manera que es característica de los átomos que componen ese elemento químico en particular. La espectroscopia de rayos X mide esos cambios en la energía, lo que permite a los científicos identificar elementos y comprender cómo interactúan los átomos dentro de varios materiales..
Hay dos técnicas principales de espectroscopia de rayos X: espectroscopia de rayos X de dispersión de longitud de onda (WDXS) y espectroscopia de rayos X de dispersión de energía (EDXS). WDXS mide los rayos X de una sola longitud de onda que son difractados por un cristal. EDXS mide la radiación de rayos X emitida por electrones estimulados por una fuente de alta energía de partículas cargadas.
En ambas técnicas, cómo se dispersa la radiación indica la estructura atómica del material y, por lo tanto, los elementos dentro del objeto que se analiza..
Múltiples aplicaciones
Hoy en día, la espectroscopia de rayos X se utiliza en muchas áreas de la ciencia y la tecnología, incluida la arqueología, la astronomía, la ingeniería y la salud..
Los antropólogos y arqueólogos pueden descubrir información oculta sobre los artefactos y restos antiguos que encuentran al analizarlos con espectroscopia de rayos X. Por ejemplo, Lee Sharpe, profesor asociado de química en Grinnell College en Iowa, y sus colegas, utilizaron un método llamado espectroscopia de fluorescencia de rayos X (XRF) para identificar el origen de las puntas de flecha de obsidiana hechas por personas prehistóricas en el suroeste de América del Norte. El equipo publicó sus resultados en octubre de 2018 en el Journal of Archaeological Science: Reports..
La espectroscopia de rayos X también ayuda a los astrofísicos a aprender más sobre cómo funcionan los objetos en el espacio. Por ejemplo, investigadores de la Universidad de Washington en St. Louis planean observar rayos X que provienen de objetos cósmicos, como agujeros negros, para aprender más sobre sus características. El equipo, dirigido por Henric Krawczynski, un astrofísico experimental y teórico, planea lanzar un tipo de espectrómetro de rayos X llamado polarímetro de rayos X. A partir de diciembre de 2018, el instrumento estará suspendido en la atmósfera de la Tierra mediante un globo lleno de helio de larga duración..
Yury Gogotsi, químico e ingeniero de materiales de la Universidad Drexel en Pensilvania, crea antenas de rociado y membranas de desalinización de agua con materiales analizados por espectroscopia de rayos X.
Las antenas invisibles en aerosol tienen solo unas pocas docenas de nanómetros de grosor, pero pueden transmitir y dirigir ondas de radio. Una técnica llamada espectroscopia de absorción de rayos X (XAS) ayuda a garantizar que la composición del material increíblemente delgado sea correcta y ayuda a determinar la conductividad.. “Se requiere una alta conductividad metálica para un buen rendimiento de las antenas, por lo que debemos monitorear de cerca el material,” Gogotsi dijo.
Gogotsi y sus colegas también utilizan la espectroscopia de rayos X para analizar la química de la superficie de membranas complejas que desalinizan el agua filtrando iones específicos, como el sodio..
El uso de la espectroscopia de rayos X también se puede encontrar en varias áreas de la investigación y la práctica médicas, como en las modernas máquinas de tomografía computarizada. La recopilación de espectros de absorción de rayos X durante las tomografías computarizadas (a través del conteo de fotones o un escáner de tomografía computarizada espectral) puede proporcionar información más detallada y contraste sobre lo que está sucediendo dentro del cuerpo, con dosis de radiación más bajas de los rayos X y menos o ninguna necesidad de usar materiales de contraste (tintes), según Phuong-Anh T. Duong, director de TC del Departamento de Radiología y Ciencias de la Imagen de la Universidad de Emory en Georgia.
Más lejos leyendo:
- Leer más sobre el Explorador de polarimetría de rayos X de imágenes de la NASA.
- Obtenga más información sobre espectroscopia de pérdida de energía y rayos X, del Laboratorio Nacional de Energía Renovable.
- Vea esta serie de planes de lecciones sobre la espectroscopia de rayos X de estrellas, de la NASA.