การวิเคราะห์แร่ธาตุบนโลก ดวงจันทร์ และดาวอังคาร
จากการปลดปล่อยรังสีเอกซ์

เราสามารถหาองค์ประกอบของแร่ธาตุบนดาวอังคาร โดยการส่งต้นกำเนิดรังสีเอกซ์ขึ้นไปวางไว้เหนือพื้นดินที่จะวิเคราะห์ แล้ววัดอนุภาคและรังสีเอกซ์ที่คายออกมา แผนภาพด้านล่างแสดงระบบการตรวจวัดดินบนดวงจันทร์ เมื่อปี 1967

การวิเคราะห์ที่ใช้ในห้องปฏิบัติการที่ทำบนพื้นโลก เราจะใช้อนุภาคพลังงานสูงในเครื่องมือวิเคราะห์ อย่างเช่น เครื่อง scanning electron microscope หรือเรียกว่า electron microprobe และวัดรังสีเอกซ์ที่ปลดปล่อยออกมาจากตัวอย่าง

หลักการโดยทั่วไป แสดงอยู่ในรูปที่ 2 เมื่อยิงรังสีเอกซ์ อิเล็กตรอน โปรตอน หรืออนุภาคพลังงานสูงชนิดอื่น ไปตกกระทบกับอิเล็กตรอนในวงโคจรของอะตอม อิเล็กตรอนจะหลุดออกไปจากอะตอม ทำให้เกิดที่ว่าง อิเล็กตรอนในวงโคจรชั้นอื่นจะเข้าแทนที่ และคายพลังงานออกมาในรูปของรังสีเอกซ์ ที่มีพลังงานจำเพาะของแต่ละธาตุ เมื่อวัดพลังงานของรังสีเอกซ์ที่คายออกมานี้ จะทำให้สามารถระบุชนิดของธาตุในตัวอย่างได้


รูปที่ 1 การหาชนิดของธาตุโดยการวัดรังสีเอกซ์จำเพาะ ที่เหนี่ยวนำให้เกิดขึ้นด้วยไอออน อิเล็กตรอนหรือรังสีเอกซ์
เอกซเรย์ฟลูออเรสเซนต์ X-ray Fluorescence (XRF)

เทคนิคนี้ ใช้กับอุปกรณ์สำหรับการวิเคราะห์ธาตุในงานอุตสาหกรรม หรือตัวอย่างทางศิลปะในพิพิธภัณฑ์ ตัวอย่างเช่น การทดสอบเพื่อหาองค์ประกอบในสีเขียนภาพ เพื่อวิเคราะห์หาอายุของภาพ รูปที่ 2 แสดงแผนภาพการจัดอุปกรณ์ในการวิเคราะห์

รังสีเอกซ์ที่ตกกระทบจะต้องมีพลังงานมากกว่าหรือเท่ากับพลังงานยึดเหนี่ยวของอิเล็กตรอน EB ในวงโคจรของอะตอม

EX-ray > EB


รูปที่ 2 แผนภาพอุปกรณ์การวิเคราะห์ด้วยเทคนิคเอกซเรย์ฟลูออเรสเซนต์ แสดงเครื่องกำเนิดรังสีเอกซ์และเครื่องวัดรังสีเอกซ์
ระดับพลังงานของอิเล็กตรอนแบ่งเป็นชั้น (band) แต่ละชั้นจะมีพลังงานแตกต่างกันมากกว่าสิบเท่า ชั้นในสุดมีพลังงานยึดเหนี่ยว (binding energy) มากที่สุด เรียกว่า ชั้นเค (K-shell) ชั้นถัดออกมาเรียกว่าชั้นแอล (L-shell) และชั้นเอ็ม (M -shell) ตามลำดับ

ตารางที่ 1. พลังงานยึดเหนี่ยวและพลังงานของรังสีเอกซ์ที่คายออกมา (Kalpha) ในหน่วย electron volts (eV) ของธาตุ (ข้อมูลจาก Feldman and Mayer, Fundamentals of Surfaces and Thin Film Analysis)

ธาตุ
เลขอะตอม, Z
พลังงานยึดเหนี่ยว (eV)
K
L3
M5
Kalpha
Aluminum, Al
13
1560
73
-
1490
Silicon, Si
14
1839
99
-
1740
Iron, Fe
26
7114
710
6
6400
Cobolt, Co
27
7709
779
3
6930
Silver, Ag
47
25,514
3351
367
22,110
Cadmium, Cd
48
26,711
3538
404
23,110
Gold, Au
79
80,725
11,919
2206
68,200
Mercury, Hg
80
83,103
12,284
2295
70,180

ตารางที่ 1 แสดงพลังงานยึดเหนี่ยว EB, ของอิเล็กตรอน ซึ่งเป็นพลังงานที่ต้องใช้ ในการทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากอะตอม จะเห็นว่า แต่ละชั้นมีค่าต่างกันประมาณ 10 เท่า อิเล็กตรอนในแต่ละชั้น จะมีชั้นย่อย (sublevel) ลงไปอีก เช่น ชั้น L1 ถึง L3 ชั้น M1 ถึง M5 ตารางที่ 1 แสดงเฉพาะอิเล็กตรอนชั้นนอกสุดของแต่ละวง เนื่องจากเป็นระดับที่มีการเปลี่ยนชั้นพลังงานเกิดขึ้นเป็นส่วนใหญ่

รังสีเอกซ์ที่คายออกมาจากการเปลี่ยนระดับชั้นของวงโคจร มีพลังงานเท่ากับผลต่างของพลังงานยึดเหนี่ยวของแต่ละชั้น เช่น

EX-ray (Kalpha) = EB(K) - EB(L3)
EX-ray (Lalpha) = EB(L3) - EB(M5)

พลังงานรังสีเอกซ์ที่คายออกมาของ Kalpha X-rays ในตารางที่ 1 สอดคล้องกับผลต่างของพลังงานยึดเหนี่ยวของอิเล็กตรอน ตัวอย่างเช่น เงิน (Ag)

EX-ray (Kalpha) = 25,514 - 3351 = 22143

Electron Microprobe (e-mprobe)

เทคนิคของ electron microprobe ต่างกับเอกซเรย์ฟลูออเรสเซนต์ (XRF) ดังรูปที่3. ในกรณีของ XRF จะใช้ลำรังสีเอกซ์ขนาดเป็นมิลลิเมตรเคลื่อนที่ผ่านอากาศ ซึ่งจะไปถึงตัวอย่างด้วยพลังงานเท่าเดิม โดยถูกดูดกลืนความเข้มลงไปไม่มากนัก ส่วนกรณีของอิเล็กตรอน จะมีการดูดกลืนและการกระเจิง (scatter) เนื่องจากอากาศ ทำให้เทคนิคการวัดด้วย electron microprobe ต้องทำในสุญญากาศ ตัวอย่างที่ต้องการวิเคราะห์จึงต้องมีขนาดเล็กพอที่บรรจุลงไปใน chamber สำหรับการวิเคราะห์ได้ และไม่มีผลกระทบเมื่ออยู่ในสภาพสุญญากาศ ตัวอย่างสารอินทรีย์และแมลงสามารถอยู่ในสภาพสุญญากาศได้ โดยต้องเคลือบผิวด้วยฟิล์มตัวนำ เช่น คาร์บอนหรือทอง เพื่อป้องกัน voltage build-up จากประจุในลำอิเล็กตรอน ซึ่งลำอิเล็กตรอนสามารถโฟกัสให้มีขนาดเป็นไมครอน (micron) ทำให้กำหนดจุดที่จะวิเคราะห์บนตัวอย่างได้


รูปที่ 3
(A) การวิเคราะห์โดยเอกซเรย์ฟลูออเรสเซนต์ (XRF) สามารถทำได้โดยมีอากาศ และ (B) การวิเคราะห์โดย elecron microprobe ต้องทำในสุญญากาศ

ทั้งการวิเคราะห์ด้วยวิธี XRF และ electron beam ต่างก็มีการให้รังสีเอกซ์ออกมาจากตัวอย่าง โดยมีพลังงานที่เป็นค่าจำเพาะของแต่ละธาตุ โดยความเข้มของรังสีเอกซ์แต่ละพลังงาน สามารถนำไปใช้ในการวิเคราะห์สัดส่วนของปริมาณธาตุที่เป็นองค์ประกอบในตัวอย่างได้

Particle-induced X-ray Emission (PIXE)

อนุภาคโปรตอนหรืออนุภาคอัลฟาพลังงานสูงหลายล้านอิเล็กตรอนโวลต์ (MeV) จากเครื่องเร่งอนุภาค (accelerators) สามารถทำให้เกิดรังสีเอกซ์เพื่อการวิเคราะห์วัสดุได้ด้วยเทคนิค particle-induced X-ray emission (PIXE) ปัจจุบัน มีการใช้เครื่องเร่งอนุภาคอยู่ในมหาวิทยาลัยและห้องปฏิบัติการต่างๆ เป็นจำนวนหลายร้อยแห่ง เครื่องเร่งอนุภาคเหล่านี้ ใช้ในการผลิตและควบคุมลำอนุภาคมีประจุ ทำให้สามารถปล่อยลำอนุภาคที่ทราบชนิดและพลังงานไปยังตัวอย่าง ซึ่งทำได้ทั้งในสภาวะที่มีอากาศและในสุญญากาศ ในกรณีที่มีอากาศ ลำไอออนที่ใช้ มักเป็นอนุภาคโปรตอน จะเคลื่อนที่ผ่านแผ่น membrane บางๆ และอากาศไปยังตัวอย่าง โดยโปรตอนที่มีพลังงานระดับล้านอิเล็กตรอนโวลต์จะมีการสูญเสียพลังงานไปไม่มากนัก

เทคนิคการวิเคราะห์โดยใช้ลำไอออนพลังงานสูง ที่ออกจากสภาวะสุญญากาศ ในเครื่องเร่งอนุภาค ไปยังสภาวะที่มีอากาศภายนอก เรียกว่า external beam line measurements รูปที่ 4 แสดงการจัดอุปกรณ์การทดลอง สำหรับกรณีที่ตัวอย่างมีขนาดใหญ่หรือไม่เหมาะที่จะทำในสภาวะสุญญากาศ


รูปที่ 4.
แผนภาพการจัดอุปกรณ์การวัดนอกลำโปรตอน (external proton beam) ในการวิเคราะห์ด้วยเทคนิค particle-induced X-ray emission (PIXE).
การวิเคราะห์ธาตุองค์ประกอบของตัวอย่าง (Sample Analysis: Elements and Composition)

การใช้อิเล็กตรอน ไอออน หรือรังสีเอกซ์ เหนี่ยวนำให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากอะตอม ทำให้มีการปล่อยรังสีเอกซ์จำเพาะออกมานั้น สามารถวัดพลังงานของรังสีเอกซ์เพื่อหาชนิดของธาตุ เนื่องจาก K, L และ M X-rays นั้นมีค่าของพลังงานรังสีเอกซ์จำเพาะของแต่ละธาตุ รูปที่ 5 แสดงพลังงานของรังสีเอกซ์กับความเข้ม (yield) หรือจำนวนของรังสีเอกซ์ที่วัดได้ ของตัวอย่างหินจาก Bisbee, Arizona โดยใช้เทคนิค external proton beam PIXE analysis ซึ่งสามารถระบุชนิดของธาตุได้ตั้งแต่กำมะถัน (S) ไปจนถึงเหล็ก (Fe) เครื่องหมาย a ของ Ka และ La หมายถึง alpha ซึ่งเป็นรังสีเอกซ์ที่เกิดจากการเปลี่ยนชั้นของอิเล็กตรอนที่มีความเข้มสูง (primary transitions) ส่วน b หมายถึง beta จะมีความเข้มน้อยกว่า alpha ผลการวัดมีรังสีเอกซ์ของอาร์กอน (Ar) ด้วย เนื่องจากโปรตอนเคลื่อนที่ผ่านอากาศ ทำให้เกิดรังสีเอกซ์ของอาร์กอนที่มีอยู่ในอากาศ

ความเข้มของรังสีเอกซ์ที่วัดได้ (X-ray yield, YX-ray) สามารถใช้หาความเข้มข้น หรือจำนวนอะตอมต่อปริมาตร ของธาตุในตัวอย่างได้ จากค่าของโอกาสในการเกิดปฏิกิริยากับอนุภาคที่ตกกระทบ แล้วทำให้อิเล้กตรอนหลุดออกไปจากอะตอม


รูปที่ 5
ความเข้มของรังสีเอกซ์แต่ละพลังงานที่วัดได้จากตัวอย่างทางธรณีวิทยาโดยใช้เทคนิค external proton beam analysis

ความเข้มของรังสีเอกซ์แต่ละพลังงานมีค่าแปรผันตามความเข้มข้นหรือจำนวนอะตอม (N) และ โอกาสในการเกิดปฏิกิริยากับอิเล็กตรอน (P)
เมื่อไอออน อิเล็กตรอน หรือรังสีเอกซ์ชนกับอิเล็กตรอน ทำให้หลุดออกไปจากวงโคจรของอะตอม กระบวนการที่อิเล็กตรอนในชั้นอื่นเข้ามาแทนที่ว่างและคายรังสีเอกซ์ออกมานั้นเกิดขึ้นในแบบเดียวกัน แต่จะแตกต่างกันที่โอกาส (P) ในการเกิดปฏิกิริยากับอิเล็กตรอนในวงโคจรของอะตอมของแต่ละธาตุ ซึ่งขึ้นกับพลังงานและชนิดของอนุภาคหรือรังสีเอกซ์ที่ชนกับอิเล็กตรอน

เทคนิคทั้งสามแบบ ได้แก่ XRF, e-probe, และ PIXE มีการใช้ในการวิเคราะห์กับตัวอย่างหลายชนิด ตั้งแต่สารกึ่งตัวนำแบบใหม่ ไปจนถึงเซรามิกส์โบราณ หรือหินจากดวงจันทร์ไปจนถึงสีเขียนภาพ มลภาวะในอากาศก็สามารถวิเคราะห์ได้โดยการดูดอากาศผ่านแผ่นกรอง (filter) แล้วใช้เทคนิค PIXE วิเคราะห์ปริมาณธาตุบนแผ่นกรอง

การตรวจสอบระยะไกล (Remote Sensing)

การวิเคราะห์ครั้งแรก เป็นการตรวจสอบพื้นผิวดวงจันทร์โดยใช้อนุภาคอัลฟา ส่วนครั้งล่าสุดเป็นการใช้ Alpha Proton X-ray Spectrometer ตรวจสอบพื้นผิวดาวอังคารของยาน Sojourner Rover ในปฏิบัติการ Mars Pathfinder Mission


รูปที่ 6.
ยาน Sojourner Rover ที่มีขนาด 65 x 48 ตารางเซนติเมตร มีน้ำหนักประมาณ 10.6 กิโลกรัม ใช้สำรวจพื้นผิวดาวอังคาร โดยติดตั้งอุปกรณ์ตรวจจับหลายชนิด เพื่อเก็บข้อมูลสิ่งแวดล้อมบนดาวอังคาร
ปฏิบัติการทั้งสองครั้งห่างกัน 30 ปี ใช้ต้นกำเนิดรังสีอัลฟายิงไปที่พื้นผิวดวงจันทร์หรือดาวอังคาร ผลการวัดรังสีเอกซ์หรือโปรตอนที่ให้ออกมาจะทำให้ทราบองค์ประกอบทางธรณีวิทยาของหินและผิวดิน
 
ถอดความจาก X-Ray Emission: Earth, Moon, and Mars