Qu'est-ce que la spectroscopie à rayons X?

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 de spectroscopie aux rayons X différentes qui sont utilisées dans de nombreuses disciplines de la science et de la technologie, 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.

L'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 été rapidement 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 a également valu un prix Nobel de physique, mais pas avant 1917.

L'utilisation de la spectroscopie aux rayons X a en fait commencé un peu plus tôt, en 1912, en commençant par une équipe père-fils de physiciens britanniques, William Henry Bragg et William Lawrence Bragg. Ils ont utilisé la spectroscopie pour étudier la façon dont le rayonnement 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 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 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 des rayons X: la spectroscopie de rayons X à dispersion de longueur d'onde (WDXS) et la spectroscopie de rayons X à dispersion d'énergie (EDXS). Le WDXS mesure les rayons X d'une seule longueur d'onde qui sont diffractés par un cristal. L'EDXS mesure le rayonnement X émis par les électrons stimulés par une source à haute énergie de particules chargées.

Dans les deux techniques, la façon dont le rayonnement est dispersé indique la structure atomique du matériau et, par conséquent, 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 sont en mesure de découvrir des informations cachées sur les artefacts anciens et les restes qu'ils ont trouvés en les analysant par spectroscopie aux rayons X. Par exemple, Lee Sharpe, professeur agrégé de chimie au Grinnell College de l'Iowa, et ses collègues, ont utilisé une méthode appelée spectroscopie par fluorescence X (XRF) pour identifier l'origine des pointes de flèches en 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 apprendre davantage sur le fonctionnement des objets dans l'espace. Par exemple, des chercheurs de l'Université de Washington à Saint-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, 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 par pulvérisation et des membranes de dessalement d'eau avec des matériaux analysés par spectroscopie aux rayons X.

Les antennes de 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 s'assurer 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,” Gogotsi a dit.

Gogotsi et ses collègues utilisent également la spectroscopie aux rayons X pour analyser la chimie de surface de membranes complexes qui dessalent l'eau en filtrant des ions spécifiques, tels que le sodium..

L'utilisation de la spectroscopie à rayons X peut également être trouvée dans plusieurs domaines de la recherche et de la pratique médicales, comme dans les appareils 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 des rayons X et moins ou pas besoin d'utiliser matériaux de contraste (colorants), selon Phuong-Anh T.Duong, directeur de la tomodensitométrie au Département de radiologie et d'imagerie de l'Université Emory en Géorgie.

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