X-ışını Spektroskopisi Nedir ve Nerelerde Kullanılır?

X-ışını spektroskopisi, elektromanyetik spektrumun X-ışını bölgesinde bulunan ve dalga boylarına sahip olan fotonları veya ışık partiküllerini tespit eden ve ölçümünü yapan bir tekniktir. Bu teknik, bilim adamlarının bir maddenin kimyasal ve fiziksel özelliklerini tespit etmesine yardımcı olmaktadır.

Arkeoloji, astronomi ve mühendislik dahil olmak üzere bilim ve teknoloji alanlarında kullanılmakta olan birçok farklı X-ışını spektroskopi yöntemleri bulunmaktadır. Bu X-ışını spektroskopi yöntemleri, bir malzemenin veya nesnenin tam olarak eksiksiz bir profilini oluşturabilmesi için tek bir yöntem veya birden fazla yöntem bir arada kullanılabilir.

Tarihçesi

Alman fizikçi Wilhelm Conrad Röntgen, 1895 yılında X-ışınlarını keşfi ile birlikte 1901 yılında fizik dalında ilk Nobel Ödülü’ne layık görüldü. SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı’na göre Röntgen’in bu yeni keşfi diğer bilim adamları ve doktorlar tarafından çok hızlı bir şekilde benimsenip kullanılmaya başlandı.

İngiliz fizikçi Charles Barkla, 1906 ile 1908 yılları arasında X-ışınlarının tekil maddelerin özelliği olabileceğinin keşfine sebep olan çalışmalar yürüttü. Ayrıca, Barkla’nın bu çalışması ona Nobel Fizik Ödülü’nü kendisine kazandırdı. Ancak, ödüle hemen keşfinin ardından değil 1917 yılında layık görüldü.

X-ışını spektroskopisi’nin kullanımı aslında 1912 yılının başlarında İngiliz fizikçiler baba-oğul William Henry Bragg ve William Lawrence Bragg ile başlamıştı. Baba-oğul, X-ışını radyasyonunun kristaller içerisindeki atomlar ile birlikte nasıl etkileşime girdiklerini gözlemleyebilmek amacıyla spektroskopi kullandılar. Onların kullandığı bu teknik, X-ışını kristalografisi olarak adlandırıldı ve bir sonraki sene bu teknik alanında standart haline getirildi. Bununla birlikte, 1915’te Nobel Fizik Ödülüne layık görüldüler.

X-ışını Spektroskopisi Nasıl Çalışır?

Bir atom kararsız durumda olduğunda veya yüksek enerjiye sahip parçacıklar ile bombardımana tutulduğunda, elektronları bir enerji seviyesinden bir başka enerji seviyesine geçerler. Elektronlar adapte oldukça, kimyasal element, yüksek enerjiye sahip X-ışınının fotonlarını, kendisini oluşturan atomların karakteristiği sayesinde bir şekilde absorbe eder ve daha sonra serbest bırakır. X-ışını spektroskopisi bu noktada enerjideki değişimleri ölçmektedir. Bu sayede, bilim insanlarının kimyasal elementleri tanımlayabilmektedir. Ayrıca, farklı nesnelerdeki atomların X-ışını ile nasıl bir etkileşime girdiğini tespit etmelerine olanak sağlamaktadır.

İki farklı X-ışını spektroskopi tekniği bulunmaktadır. Bunlar: dalga boyu dispersif X-ışını spektroskopisi (WDXS) ve enerji dağıtıcı X-ışını spektroskopisi (EDXS)’dir. WDXS tekniği bir kristal tarafından kırılan tek bir dalga boyunun sahip olduğu X-ışınlarını ölçmektedir. EDXS tekniği ise yüksek enerjili parçacıklar tarafından bombardımana tutulup uyarılan elektronların yaymış olduğu X-ışını radyasyonunu ölçmektedir.

Her iki teknikte de radyasyonun yayılma şekli malzemenin atomik yapısını gösterir. Bu sayede, malzeme içerisindeki elementlerin analiz edilebilmesi sağlanmış olur.

Elektromanyetik spektrum

Uygulama Alanları

Günümüzde, X-ışını spektroskopisi astronomi, mühendislik, sağlık ve arkeoloji de dahil olmak üzere bilim ve teknolojinin birçok alanında kullanılmaktadır.

Antropologlar ve arkeologlar buldukları tarihi eserleri ve kalıntıları X-ışını spektroskopi teknikleri ile analiz ederek bunlarla ilgili gizemleri keşfedebilmektedirler. Örnek verecek olursak, Iowa’daki Grinnell Koleji’nde Kimya profesörü olan Lee Sharpe ve bir grup meslektaşı, Kuzey Amerika’nın Güneybatısı’nda yaşamış olan tarihöncesi insanların yapmış olduğu obsidyen ok uçlarının kökenini tespit edebilmek için X-ışını floresan spektroskpisi (XRF) olarak bilinen bir teknik kullandılar.

X-ışını spektroskopisi ayrıca astrofizikçilerin uzaydaki nesneler hakkında daha fazla bilgi edinmesine olanak sağlamaktadır. Örneğin,  St. Louis’deki Washington Üniversitesi’nden bir grup araştırmacı, kara delikler gibi kozmik nesnelerin yaymış oldukları X-ışınlarının yapıları hakkında daha fazla bilgi edinebilmek amacıyla gözlemlemek istediler. Uygulamacı ve aynı zamanda teorik bir astrofizikçi olan Henric Krawczynski liderliğindeki bu ekip, X-ışını polarimetresi olarak adlandırılan bir X-ışını spektrometresi ile bu deneyi gerçekleştirmeyi planlıyorlar.

Pennsylvania’daki Drexel Üniversitesi’nde kimyager ve aynı zamanda malzeme mühendisi olan Yury Gogotsi X-ışını spektroskopisi ile analizi yapılmış olan bir takım malzemelerden püskürtme yöntemiyle yapılmış antenler ve su arıtma membranları üretmeyi başardı.

X-ışını spektroskopisinin kullanımı, CT tarama makinelerinde olduğu gibi tıbbi araştırma ve uygulama ile ilgili birçok alanda kullanılmaktadır. X-ışını spektroskopisi ‘nin uygulama alanları ile ilgili verilebilecek daha birçok örnekte mevcuttur.

Kaynak: LiveScience