X線分光法は、電磁スペクトルのX線部分に波長を持つ光子または光の粒子を検出して測定する手法です。科学者がオブジェクトの化学的および元素的特性を理解するのを助けるために使用されます。
考古学、天文学、工学など、科学技術の多くの分野で使用されているいくつかの異なるX線分光法があります。これらの方法を個別にまたは一緒に使用して、分析対象の材料またはオブジェクトのより完全な図を作成できます。
歴史
SLAC国立加速器研究所によると、ドイツの物理学者であるウィルヘルムコンラッドレントゲンは、1901年にX線を発見したことにより、1901年にノーベル物理学賞を初めて受賞しました。
イギリスの物理学者であるチャールズバークラは1906年から1908年の間に研究を行い、X線は個々の物質に特徴的である可能性があるという発見につながりました。彼の研究は彼にノーベル物理学賞を授与したが、1917年までは得られなかった。
X線分光法の使用は実際には少し早い時期、1912年にイギリスの物理学者の父親と息子のチーム、ウィリアムヘンリーブラッグとウィリアムローレンスブラッグから始まりました。彼らは分光法を使用して、X線放射が結晶内の原子とどのように相互作用するかを研究しました。 X線結晶学と呼ばれる彼らの技術は翌年までにこの分野で標準になり、1915年にノーベル物理学賞を受賞しました。
X線分光法の仕組み
原子が不安定であるか、高エネルギー粒子に衝突すると、その電子はあるエネルギーレベルから別のレベルに遷移します。電子が調整されると、特定の化学元素を構成する原子に特徴的な方法で、元素が高エネルギーX線光子を吸収および放出します。 X線分光法はこれらのエネルギーの変化を測定します。これにより、科学者は元素を特定し、さまざまな材料内の原子がどのように相互作用するかを理解できます。
主な2つのX線分光法には、波長分散型X線分光法（WDXS）とエネルギー分散型X線分光法（EDXS）があります。 WDXSは、結晶によって回折される単一波長のX線を測定します。 EDXSは、荷電粒子の高エネルギー源によって刺激された電子によって放出されたX線放射を測定します。
どちらの手法でも、放射線がどのように分散されるかによって、材料の原子構造が示され、分析されるオブジェクト内の元素が示されます。
複数のアプリケーション
今日、X線分光法は、考古学、天文学、工学、健康など、科学技術の多くの分野で使用されています。
人類学者と考古学者は、古代の遺物に関する隠された情報を発見することができ、X線分光法でそれらを分析することによって、彼らは見つけたままです。たとえば、アイオワ州のグリンネルカレッジの化学准教授であるリーシャープは、X線蛍光（XRF）分光法と呼ばれる方法を使用して、北アメリカ南西部の先史時代の人々が作った黒曜石の矢じりの起源を特定しました。チームはその結果をJournal of Archaeological Science：Reportsで2018年10月に公開しました。
X線分光法は、宇宙物理学者が宇宙の物体がどのように機能するかについてさらに学ぶのにも役立ちます。たとえば、セントルイスにあるワシントン大学の研究者は、ブラックホールなどの宇宙物体からくるX線を観察して、それらの特性について詳しく調べる計画を立てています。実験的および理論的な宇宙物理学者であるヘンリック・クラウチンスキーが率いるチームは、X線偏光計と呼ばれるタイプのX線分光計を発表する予定です。 2018年12月から、装置はヘリウムで満たされた長時間の風船によって地球の大気中に吊り下げられます。
ペンシルベニア州のドレクセル大学の化学者および材料エンジニアであるユーリーゴゴッツィは、X線分光法で分析された材料を使用して、スプレー式アンテナと水脱塩膜を作成します。
目に見えないスプレー式アンテナは数十ナノメートルの厚さですが、電波を送信および送信することができます。 X線吸収分光法（XAS）と呼ばれる手法は、非常に薄い材料の組成が正しいことを確認し、導電率を決定するのに役立ちます。 「アンテナの良好な性能には高い金属伝導性が必要であるため、材料を注意深く監視する必要があります」とGogotsi氏は述べています。
Gogotsiと彼の同僚はまた、X線分光法を使用して、ナトリウムなどの特定のイオンをろ過することにより水を脱塩する複雑な膜の表面化学を分析しています。
X線分光法の使用は、最新のCTスキャンマシンなど、医学の研究や診療のいくつかの分野でも見られます。 （フォトンカウンティングまたはスペクトルCTスキャナーを介して）CTスキャン中にX線吸収スペクトルを収集すると、X線からの放射線量が少なくなり、使用の必要性が少なくなるため、体内で何が起こっているかについてより詳細な情報とコントラストが得られますジョージア州のエモリー大学放射線学および画像科学部門のCTディレクターであるPhuong-Anh T. Duongによると、造影剤（染料）です。
さらに 読む:
- NASAのイメージングX線偏光測定エクスプローラについて詳しく読む.
- 国立再生可能エネルギー研究所から、X線およびエネルギー損失分光法の詳細を学んでください。
- NASAが提供する、星のX線分光法に関するこの一連のレッスン計画をご覧ください。
