La spectroscopie aux rayons X est une technique qui détecte et mesure les photons, ou particules de lumière, qui ont des longueurs d'onde dans la partie des rayons X du spectre électromagnétique. Il est utilisé pour aider les scientifiques à comprendre les propriétés chimiques et élémentaires d'un objet.
Il existe plusieurs méthodes différentes de spectroscopie aux rayons X qui sont utilisées dans de nombreuses disciplines scientifiques et technologiques, notamment l'archéologie, l'astronomie et l'ingénierie. Ces méthodes peuvent être utilisées indépendamment ou ensemble pour créer une image plus complète du matériau ou de l'objet analysé.
Histoire
Wilhelm Conrad Röntgen, un physicien allemand, a reçu le premier prix Nobel de physique en 1901 pour sa découverte des rayons X en 1895. Sa nouvelle technologie a rapidement été utilisée par d'autres scientifiques et médecins, selon le SLAC National Accelerator Laboratory.
Charles Barkla, un physicien britannique, a mené des recherches entre 1906 et 1908 qui ont conduit à sa découverte que les rayons X pouvaient être caractéristiques de substances individuelles. Son travail lui vaut également un prix Nobel de physique, mais seulement en 1917.
L'utilisation de la spectroscopie aux rayons X a en fait commencé un peu plus tôt, en 1912, à commencer par une équipe père-fils de physiciens britanniques, William Henry Bragg et William Lawrence Bragg. Ils ont utilisé la spectroscopie pour étudier comment le rayonnement des rayons X interagissait avec les atomes dans les cristaux. Leur technique, appelée cristallographie aux rayons X, est devenue la norme dans le domaine l'année suivante et ils ont remporté le prix Nobel de physique en 1915.
Comment fonctionne la spectroscopie aux rayons X
Lorsqu'un atome est instable ou est bombardé de particules de haute énergie, ses électrons passent d'un niveau d'énergie à un autre. Au fur et à mesure que les électrons s'ajustent, l'élément absorbe et libère des photons de rayons X à haute énergie d'une manière qui est caractéristique des atomes qui composent cet élément chimique particulier. La spectroscopie aux rayons X mesure ces changements d'énergie, ce qui permet aux scientifiques d'identifier les éléments et de comprendre comment les atomes dans divers matériaux interagissent.
Il existe deux principales techniques de spectroscopie aux rayons X: la spectroscopie aux rayons X à dispersion de longueur d'onde (WDXS) et la spectroscopie aux rayons X à dispersion d'énergie (EDXS). WDXS mesure les rayons X d'une seule longueur d'onde qui sont diffractés par un cristal. EDXS mesure le rayonnement X émis par les électrons stimulés par une source de haute énergie de particules chargées.
Dans les deux techniques, la manière dont le rayonnement est dispersé indique la structure atomique du matériau et donc les éléments à l'intérieur de l'objet analysé.
Applications multiples
Aujourd'hui, la spectroscopie aux rayons X est utilisée dans de nombreux domaines de la science et de la technologie, notamment l'archéologie, l'astronomie, l'ingénierie et la santé.
Les anthropologues et les archéologues peuvent découvrir des informations cachées sur les objets anciens et les restes qu'ils trouvent en les analysant par spectroscopie aux rayons X. Par exemple, Lee Sharpe, professeur agrégé de chimie au Grinnell College dans l'Iowa, et ses collègues, ont utilisé une méthode appelée spectroscopie de fluorescence X (XRF) pour identifier l'origine des pointes de flèches d'obsidienne fabriquées par des personnes préhistoriques dans le sud-ouest de l'Amérique du Nord. L'équipe a publié ses résultats en octobre 2018 dans le Journal of Archaeological Science: Reports.
La spectroscopie aux rayons X aide également les astrophysiciens à en savoir plus sur le fonctionnement des objets dans l'espace. Par exemple, des chercheurs de l'Université de Washington à St. Louis prévoient d'observer les rayons X provenant d'objets cosmiques, tels que les trous noirs, pour en savoir plus sur leurs caractéristiques. L'équipe, dirigée par Henric Krawczynski, un astrophysicien expérimental et théorique, prévoit de lancer un type de spectromètre à rayons X appelé polarimètre à rayons X. À partir de décembre 2018, l'instrument sera suspendu dans l'atmosphère terrestre par un ballon de longue durée rempli d'hélium.
Yury Gogotsi, chimiste et ingénieur des matériaux à l'Université Drexel en Pennsylvanie, crée des antennes à pulvérisation et des membranes de dessalement d'eau avec des matériaux analysés par spectroscopie aux rayons X.
Les antennes à pulvérisation invisibles ne font que quelques dizaines de nanomètres d'épaisseur mais sont capables de transmettre et de diriger des ondes radio. Une technique appelée spectroscopie d'absorption des rayons X (XAS) permet de garantir que la composition du matériau incroyablement mince est correcte et aide à déterminer la conductivité. "Une conductivité métallique élevée est nécessaire pour de bonnes performances des antennes, nous devons donc surveiller de près le matériau", a déclaré Gogotsi.
Gogotsi et ses collègues utilisent également la spectroscopie aux rayons X pour analyser la chimie de surface des membranes complexes qui dessalent l'eau en filtrant des ions spécifiques, tels que le sodium.
L'utilisation de la spectroscopie aux rayons X peut également être trouvée dans plusieurs domaines de la recherche et de la pratique médicales, comme dans les machines de tomodensitométrie modernes. La collecte des spectres d'absorption des rayons X pendant les tomodensitogrammes (via le comptage de photons ou le scanner spectral) peut fournir des informations plus détaillées et un contraste sur ce qui se passe à l'intérieur du corps, avec des doses de rayonnement plus faibles provenant des rayons X et moins ou pas besoin d'utiliser matériaux de contraste (colorants), selon Phuong-Anh T. Duong, directeur de CT au département de radiologie et d'imagerie de l'Université Emory en Géorgie.
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