ما هو التحليل الطيفي بالأشعة السينية؟

إن الهدف من هذا البحث دراسة مطيافية الأشعة السينية عن طريق دراسة خصائصها وفهم الطرق التجريبية المستخدمة في انعراجها، ومعرفة أهم تطبيقاتها والميادين المستخدمة فيها هذه التطبيقات.

التحليل الطيفي بالأشعة السينية هي تقنية لكشف الفوتونات وقياسها أو جسيمات الضوء التي لها أطوال موجية في نطاق الأشعة السينية من الطيف الكهرومغناطيسي.

يُستخدم لمساعدة العلماء على فهم خصائص العناصر الكيميائية لأي جسم.

هناك العديد من الطرائق المختلفة للتحليل الطيفي بالأشعة السينية التي تستخدم في العديد من تخصصات العلوم والتكنولوجيا بما في ذلك علم الآثار وعلم الفلك والهندسة [ ("x ray spectroscopy "PDF) ].

يمكن استخدام هذه الطرائق استخدامًا مستقلًا أو معًا لإنشاء صورة أكثر اكتمالًا للمواد أو الأجسام التي تكون قيد التحليل.

نبذة تاريخية: 

حصل (فيلهلم كونراد رونتغن- Wilhelm Conrad Röntgen)، وهو فيزيائي ألماني على أول جائزة نوبل في الفيزياء عام 1901 عن اكتشافه للأشعة السينية عام 1895.

وسرعان ما استخدِامَت هذه التكنولوجيا الجديدة من قبل علماء وأطباء آخرين، وفقًا لـ (مخبر المسرع الوطني- SLAC National Accelerator Laboratory).

استخدم فريق من أب وابنه (ويليام هنري براغ و ابنه ويليام لورنس براغ) التحليل الطيفي لدراسة كيفية تفاعل إشعاع الأشعة السينية مع الذرات داخل البلورات.

تُسمَّى تقنيتهم (علم البلورات بالأشعة السينية- X-ray crystallography) الذي أصبح معيارًا في هذا المجال في العام اللاحق وفازوا بجائزة نوبل في الفيزياء عام 1915.

كيف يعمل التحليل الطيفي بالأشعة السينية؟

عندما تكون الذرة غير مستقرة أو قُذِفَت بجزيئات عالية الطاقة تنتقل إلكتروناتها من مستوى طاقة إلى آخر.

ومع ضبط تدفق الإلكترونات يمتص العنصر ويطلق فوتونات الأشعة السينية العالية الطاقة على نحوٍ تتميز به الذرات التي تشكل هذا العنصر الكيميائي المعين.

يقيس التحليل الطيفي بالأشعة السينية تلك التغيرات في الطاقة التي تسمح للعلماء بتحديد العناصر وفهم كيفية تفاعل الذرات داخل المواد المختلفة.

هناك طريقتان رئيستان للتحليل الطيفي بالأشعة السينية والتحليل الطيفي بالأشعة السينية المشتت للطول الموجي (WDXS) والتحليل الطيفي بالأشعة السينية المشتت للطاقة (EDXS).

يقيس الأول الأشعة السينية ذات الطول الموجي الذي ينحرف بواسطة بلورة.

أما الثاني فيقيس الإشعاع السيني المنبعث من الإلكترونات المحفزة بمصدر عالي الطاقة من الجزيئات المشحونة.

في كلتا التقنيتين توضح كيفية انتشار الإشعاع البنية الذرية للمادة، وكذلك العناصر داخل الجسم الذي يُقصَد تحليله.

تطبيقات متعددة

اليوم؛ يُستخدَم التحليل الطيفي بالأشعة السينية في العديد من مجالات العلوم والتكنولوجيا بما في ذلك علم الآثار والفلك والهندسة والصحة.

يستطيع علماء الإنسانيات والآثار اكتشاف معلومات مخبأة عن القطع الأثرية القديمة والأطلال عن طريق تحليلها باستخدام التحليل الطيفي بالأشعة السينية.

على سبيل المثال؛ استخدم (لي شارب- Lee Sharpe)، أستاذ الكيمياء المساعد في كلية (غرينيل- Grinnell) في ولاية أيوا -هو وزملاؤه- طريقة تُسمَّى التحليل الطيفي بالإشعاعات الناجمة عن الأشعة السينية (XRF X-ray flourescence) لتعرُّف أصل رؤوس سهام المصنوعة من السبج البركاني الرؤوس التي صنعها أناس ما قبل التاريخ في الجنوب الغربي لأمريكا الشمالية.

نشر الفريق نتائجه في أكتوبر 2018 في مجلة علم الآثار: التقارير.

ويساعد التحليل الطيفي بالأشعة السينية علماء الفيزياء الفلكية في تعلم مزيد عن كيفية عمل الأجسام في الفضاء؛ فعلى سبيل المثال؛ يُخطط باحثون من جامعة واشنطن في سانت لويس لمراقبة الأشعة السينية التي تأتي من الأجسام الكونية؛ مثل الثقوب السوداء لمعرفة مزيد عن خصائصها.

ويعتزم الفريق بقيادة (هينريك كراوتشينسكي- Henric Krawczynski) وهو عالم فيزيائي تجريبي ونظري على إطلاق نوع من مطياف الأشعة السينية يطلق عليه جهاز قياس استقطاب الأشعة السينية.

ابتداءً من ديسمبر 2018؛ ستُعلِق الأداة في الغلاف الجوي للأرض بواسطة بالون ممتلئ بالهيليوم.

(يوري جوجوتسي- Yury Gogotsi) كيميائي ومهندس مواد في جامعة (دريكسل- Drexel) في بنسلفانيا يصنع هوائيات Antennas برشها على مواد أخرى، وأغشية تحلية المياه بمواد تَتحلل باستخدام التحليل الطيفي بالأشعة السينية.

إن هوائيات الرش غير المرئية ذات سماكة بضع عشرات من النانومترات، ومع ذلك هي قادرة على نقل موجات الراديو وتوجيهها.

تساعد تقنية تُسمَّى التحليل الطيفي لامتصاص الأشعة السينية (XAS) على التأكد من أن تركيبة المادة -الرقيقة على نحوٍ لا يصدق- تساعد في تحديد الموصلية.

وقال جوجوتسي: «التوصيلية المعدنية العالية مطلوبة للأداء الجيد للهوائيات؛ لذلك علينا مراقبة المواد عن كثب».

يستخدم جوجوتسي وزملاؤه أيضًا التحليل الطيفي بالأشعة السينية؛ لتحليل كيمياء سطوح الأغشية المعقدة التي تُحلِّي المياه عن طريق عزل أيونات معينة مثل الصوديوم.

ويمكن استخدام التحليل الطيفي بالأشعة السينية في العديد من مجالات البحث والممارسة الطبية أيضًا؛ مثل (آلات التصوير المقطعي الحديثة- CT scan).

ووفقًا لـ(فونج آن تي دونج- Phuong-Anh T. Duong) مديرة CT في جامعة (إيموري- Emory) قسم الأشعة وعلوم التصوير في جورجيا: إن جمع أطياف امتصاص الأشعة السينية في أثناء التصوير المقطعي (عن طريق العد الفوتوني- via photo counting) أو (الماسح الضوئي المقطعي الطيفي- spectral CT scanner) يمكن أن يوفر معلومات أكثر تفصيلًا وتباينًا عما يحدث داخل الجسم مع جرعات إشعاعية أقل من الأشعة السينية وأقل أو دون حاجة لاستخدام مواد التباين (الأصباغ).

المصادر:

1- هنا

2- هنا