Quang phổ tia X là gì?

Quang phổ tia X là một kĩ thuật dò tìm và đo lường các photon, hay các hạt ánh sáng, có bước sóng trong phần tia X của phổ điện từ. Nó giúp các nhà khoa học tìm hiểu hóa tính và các tính chất cơ bản của một vật.

Có một vài phương pháp quang phổ tia X khác nhau, chúng được sử dụng trong nhiều ngành khoa học và công nghệ, bao gồm khảo cổ học, thiên văn học và kĩ thuật. Các phương pháp này có thể được sử dụng độc lập hoặc phối hợp với nhau để đem lại một bức tranh hoàn chỉnh hơn về vật liệu hay vật thể đang phân tích.

Quang phổ kế quang điện tia X này sử dụng các nguyên lí của quang phổ tia X để đo thành phần nguyên tố của các vật liệu. Ảnh: Shutterstock

Lịch sử

Nhà vật lí Đức Wilhelm Conrad Röntgen được trao giải Nobel Vật lí đầu tiên vào năm 1901 cho khám phá của ông về tia X vào năm 1895. Công nghệ mới của ông nhanh chóng được đưa vào sử dụng bởi các nhà khoa học khác và các bác sĩ.

Nhà vật lí Anh Charles Barkla đã tiến hành nghiên cứu từ năm 1906 đến 1908 đưa đến khám phá của ông rằng tia X có thể là đặc trưng của từng chất. Công trình của ông cũng đem về cho ông Giải Nobel Vật lí, nhưng mãi đến năm 1917.

Việc sử dụng quang phổ tia X thật ra đã bắt đầu sớm hơn một chút, vào năm 1912, khởi đầu với đội vật lí cha-con người Anh William Henry Bragg và William Lawrence Bragg. Họ sử dụng quang phổ để nghiên cứu cách bức xạ tia X tương tác với các nguyên tử bên trong các tinh thể. Kĩ thuật của họ, gọi là tinh thể học tia X, được lập làm chuẩn trong lĩnh vực nghiên cứu vào năm sau đó và họ giành Giải Nobel Vật lí năm 1915.

Vào đầu thế kỉ 20, William Henry Bragg (ảnh) và con trai của ông, William Lawrence Bragg, là người đầu tiên sử dụng quang phổ tia X để nghiên cứu cách bức xạ tia X tương tác với các nguyên tử bên trong các tinh thể. Ảnh: SSPL/Getty Images

Quang phổ tia X hoạt động như thế nào

Khi một nguyên tử không bền 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 chuyển mức năng lượng, nguyên tố hấp thụ và giải phóng các photon tia X năng lượng cao theo một cách đặc trưng cho các nguyên tử cấu tạo nên nguyên tố hóa học đó. Quang phổ tia X đo các biến thiên năng lượng như thế, từ đó cho phép các nhà khoa học nhận dạng các nguyên tố và tìm hiểu cách tương tác của các nguyên tử bên trong vật liệu.

Có hai kĩ thuật quang phổ tia X chính: quang phổ tia X tán sắc bước sóng (WDXS) và quang phổ tia X tán sắc năng lượng (EDXS). WDXS đo các tia X thuộc một bước sóng nào đó bị nhiễu xạ bởi một tinh thể. EDXS đo bức xạ tia X phát ra bởi các electron bị kích thích bởi một nguồn hạt tích điện năng lượng cao.

Trong cả hai kĩ thuật, cách bức xạ bị tán sắc cho biết cấu trúc nguyên tử của vật liệu và do đó, cho biết các nguyên tố có mặt bên trong vật thể đang phân tích.

Tia X là các sóng cao tần trong phổ điện từ.

Nhiều công 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, kĩ thuật và y tế.

Các nhà nhân chủng học và các nhà khảo cổ học có thể khám phá các thông tin ẩn về các di hài và đồ tạo tác thời xưa mà họ tìm thấy bằng cách phân tích chúng bằng phương pháp quang phổ tia X. Ví dụ, Lee Sharpe, phó giáo sư hóa học tại trường Grinnell College ở Iowa, và các cộng sự của ông, đã sử dụng một phương pháp gọi là quang phổ huỳnh quang tia X (XRF) để truy tìm nguồn gốc của các đầu mũi tên obsidian mà người tiền sử để lại ở Tây Nam Bắc Mĩ. Đội nghiên cứu đã công bố các kết quả của họ trên số tháng Mười 2018 của ạp chí Journal of Archarological Science: Reports.

Quang phổ tia X còn giúp các nhà thiên văn vật lí tìm hiểu về cách vận hành của các vật thể trong không gian. Ví dụ, các nhà nghiên cứu tại Đại học Washington ở St. Louis lên kế hoạch quan sát tia X đến từ các vật thể vũ trụ, ví dụ các lỗ đen, để tìm hiểu về các đặc trưng của chúng. Đội nghiên cứu, đứng đầu bởi Henric Krawczynski, một nhà thiên văn vật lí lí thuyết lẫn thực nghiệm, lên kế hoạch khai thác một loại quang phổ kế tia X gọi là phân cực kế tia X. Bắt đầu vào tháng Mười Hai 2018, thiết bị này sẽ bay lơ lửng trong khí quyển Trái Đất trong một khí cầu helium bay dài ngày.

Yury Gogotsi, một nhà hóa học và kĩ sư vật liệu tại Đại học Drexel ở Pennsylvania, đã chế tạo anten phun và các màng khử mặn nước bằng các vật liệu được phân tích bằng quang phổ tia X.

Các anten phun vô hình chỉ dày vài tá nano-mét nhưng có thể truyền và dẫn hướng sóng vô tuyến. Một kĩ thuật gọi là quang phổ hấp thụ tia X (XAS) giúp đảm bảo rằng thành phần của màng cực mỏng này là đúng và giúp xác định độ dẫn điện. “Độ dẫn kim loại cao là cần thiết cho hiệu suất tốt của các anten, vì thế chúng tôi phải giám sát chặt vật liệu,” Gogotsi nói.

Gogotsi và các cộng sự của ông còn sử dụng quang phổ tia X để phân tích hóa học bề mặt của các màng phức tạp khử mặn nước bằng cách lọc hết những ion nhất định, ví dụ như sodium.

Công dụng của quang phổ tia X còn xuất hiện trong một vài lĩnh vực nghiên cứu và thực hành y khoa, ví dụ trong các máy quét CT hiện đại. Việc thu thập phổ hấp thụ tia X trong các lần quét CT (qua việc đếm số photon hay qua máy quét CT phổ) có thể cung cấp thông tin và độ tương phản chi tiết hơn về cái đang xảy ra bên trong cơ thể, với liều lượng bức xạ tia X thấp hơn, không phải dùng hoặc dùng ít hơn các vật liệu gây tương phản (thuốc nhuộm).

Nguồn: Live Science

Bài trước | Bài kế tiếp