La espectroscopía 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.
Existen varios métodos diferentes de espectroscopía de rayos X que se utilizan en muchas disciplinas de la ciencia y la tecnología, incluidas la arqueología, la astronomía y la ingeniería. Estos métodos se pueden usar de forma independiente o en conjunto para crear una imagen más completa del material u objeto que se analiza.
Historia
Wilhelm Conrad Röntgen, físico alemán, recibió el primer Premio Nobel de física en 1901 por su descubrimiento de los rayos X en 1895. Su nueva tecnología fue utilizada rápidamente por otros científicos y médicos, según el Laboratorio Nacional de Aceleración de SLAC.
Charles Barkla, un físico británico, realizó una investigación entre 1906 y 1908 que condujo a su descubrimiento de que los rayos X podrían ser característicos de sustancias individuales. Su trabajo también le valió un 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 padres e hijos de físicos británicos, William Henry Bragg y William Lawrence Bragg. Utilizaron la espectroscopia para estudiar cómo interactúa la radiación de rayos X con los átomos dentro de los cristales. Su técnica, llamada cristalografía de rayos X, se convirtió en el estándar en el campo para el año siguiente y ganaron el Premio Nobel de física en 1915.
Cómo funciona la espectroscopía 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 característica de los átomos que forman ese elemento químico en particular. La espectroscopía 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 diversos materiales.
Existen dos técnicas principales de espectroscopía de rayos X: la espectroscopía de rayos X de dispersión de longitud de onda (WDXS) y la espectroscopía 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 partículas cargadas de alta energía.
En ambas técnicas, la forma en que 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 espectroscopía de rayos X se usa 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 antiguos y los restos que encuentran al analizarlos con espectroscopía de rayos X. Por ejemplo, Lee Sharpe, profesor asociado de química en el Grinnell College en Iowa, y sus colegas, usaron un método llamado espectroscopía 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 espectroscopía de rayos X también ayuda a los astrofísicos a aprender más sobre cómo funcionan los objetos en el espacio. Por ejemplo, los investigadores de la Universidad de Washington en St. Louis planean observar rayos X que provienen de objetos cósmicos, como los 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 será suspendido en la atmósfera de la Tierra por un globo de helio de larga duración.
Yury Gogotsi, químico e ingeniero de materiales en la Universidad de Drexel en Pensilvania, crea antenas de pulverización y membranas de desalinización de agua con materiales analizados por espectroscopía de rayos X.
Las antenas invisibles de pulverización tienen solo unas pocas docenas de nanómetros de grosor, pero pueden transmitir y dirigir ondas de radio. Una técnica llamada espectroscopía 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 tenemos que monitorear de cerca el material", dijo Gogotsi.
Gogotsi y sus colegas también usan la espectroscopía de rayos X para analizar la química de la superficie de las membranas complejas que desalinizan el agua al filtrar iones específicos, como el sodio.
El uso de la espectroscopía de rayos X también se puede encontrar en varias áreas de investigación y práctica médica, como en las modernas máquinas de tomografía computarizada. La recolección de espectros de absorción de rayos X durante las tomografías computarizadas (a través del conteo de fotones o el escáner de CT 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 (colorantes), según Phuong-Anh T. Duong, director de CT en el Departamento de Radiología y Ciencias de Imagen de la Universidad de Emory en Georgia.
Más lejos leyendo:
- Lea más sobre el Explorador de polarimetría de rayos X Imaging de la NASA.
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