A espectroscopia de raios-X é uma técnica que detecta e mede fótons, ou partículas de luz, que possuem comprimentos de onda na porção de raios-X do espectro eletromagnético. É usado para ajudar os cientistas a entender as propriedades químicas e elementares de um objeto.
Existem vários métodos diferentes de espectroscopia de raios X que são usados em muitas disciplinas da ciência e da tecnologia, incluindo arqueologia, astronomia e engenharia. Esses métodos podem ser usados independentemente ou em conjunto para criar uma imagem mais completa do material ou objeto que está sendo analisado.
História
Wilhelm Conrad Röntgen, físico alemão, recebeu o primeiro Prêmio Nobel de física em 1901 por sua descoberta de raios X em 1895. Sua nova tecnologia foi rapidamente utilizada por outros cientistas e médicos, de acordo com o SLAC National Accelerator Laboratory.
Charles Barkla, um físico britânico, conduziu uma pesquisa entre 1906 e 1908 que levou à descoberta de que os raios X podiam ser característicos de substâncias individuais. Seu trabalho também lhe rendeu um Prêmio Nobel de física, mas não até 1917.
O uso da espectroscopia de raios X realmente começou um pouco antes, em 1912, começando com uma equipe de físicos britânicos, William Henry Bragg e William Lawrence Bragg, de pai e filho. Eles usaram a espectroscopia para estudar como a radiação de raios-X interagia com os átomos dentro dos cristais. Sua técnica, chamada cristalografia de raios-X, tornou-se o padrão no campo no ano seguinte e eles ganharam o Prêmio Nobel de Física em 1915.
Como a espectroscopia de raios X funciona
Quando um átomo é instável ou é bombardeado com partículas de alta energia, seus elétrons passam de um nível de energia para outro. À medida que os elétrons se ajustam, o elemento absorve e libera fótons de raios X de alta energia de uma maneira que é característica dos átomos que compõem esse elemento químico em particular. A espectroscopia de raios X mede essas mudanças na energia, o que permite aos cientistas identificar elementos e entender como os átomos de vários materiais interagem.
Existem duas técnicas principais de espectroscopia de raios X: espectroscopia de raios X dispersiva em comprimento de onda (WDXS) e espectroscopia de raios X dispersiva em energia (EDXS). O WDXS mede os raios X de um único comprimento de onda que são difratados por um cristal. O EDXS mede a radiação de raios X emitida por elétrons estimulados por uma fonte de alta energia de partículas carregadas.
Nas duas técnicas, como a radiação é dispersa indica a estrutura atômica do material e, portanto, os elementos dentro do objeto que está sendo analisado.
Múltiplas aplicações
Hoje, a espectroscopia de raios X é usada em muitas áreas da ciência e tecnologia, incluindo arqueologia, astronomia, engenharia e saúde.
Antropólogos e arqueólogos são capazes de descobrir informações ocultas sobre os artefatos antigos e os restos encontrados, analisando-os com espectroscopia de raios-X. Por exemplo, Lee Sharpe, professor associado de química no Grinnell College, em Iowa, e seus colegas, usaram um método chamado espectroscopia de fluorescência de raios X (XRF) para identificar a origem das pontas de flechas de obsidiana feitas por pessoas pré-históricas no sudoeste norte-americano. A equipe publicou seus resultados em outubro de 2018 no Journal of Archaeological Science: Reports.
A espectroscopia de raios-X também ajuda os astrofísicos a aprender mais sobre como os objetos no espaço funcionam. Por exemplo, pesquisadores da Universidade de Washington em St. Louis planejam observar raios-X provenientes de objetos cósmicos, como buracos negros, para aprender mais sobre suas características. A equipe, liderada por Henric Krawczynski, astrofísico experimental e teórico, planeja lançar um tipo de espectrômetro de raios-X chamado polarímetro de raios-X. A partir de dezembro de 2018, o instrumento será suspenso na atmosfera da Terra por um balão de longa duração e cheio de hélio.
Yury Gogotsi, químico e engenheiro de materiais da Universidade Drexel, na Pensilvânia, cria antenas de spray e membranas de dessalinização de água com materiais analisados por espectroscopia de raios-X.
As antenas de pulverização invisíveis têm apenas algumas dezenas de nanômetros de espessura, mas são capazes de transmitir e direcionar ondas de rádio. Uma técnica chamada espectroscopia de absorção de raios X (XAS) ajuda a garantir que a composição do material incrivelmente fino esteja correta e ajuda a determinar a condutividade. "É necessária alta condutividade metálica para o bom desempenho das antenas, por isso temos que monitorar de perto o material", disse Gogotsi.
Gogotsi e seus colegas também usam espectroscopia de raios-X para analisar a química da superfície de membranas complexas que dessalinizam a água filtrando íons específicos, como sódio.
O uso da espectroscopia de raios X também pode ser encontrado em várias áreas da pesquisa e prática médica, como nas modernas máquinas de tomografia computadorizada. A coleta de espectros de absorção de raios X durante a tomografia computadorizada (por contagem de fótons ou tomógrafo espectral) pode fornecer informações mais detalhadas e contrastar sobre o que está acontecendo dentro do corpo, com doses mais baixas de radiação dos raios X e menor ou nenhuma necessidade de uso materiais de contraste (corantes), de acordo com Phuong-Anh T. Duong, diretor de CT do Departamento de Radiologia e Ciências da Imagiologia da Universidade Emory, na Geórgia.
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