Характеристический рентген

Характеристические рентгеновские лучи испускаются, когда внешней оболочки электроны заполняют вакансию во внутренней оболочке атома , испуская рентгеновские лучи по схеме, «характерной» для каждого элемента. Характеристические рентгеновские лучи были открыты Чарльзом Гловером Барклой в 1909 году. ^[1] который позже получил Нобелевскую премию по физике за свое открытие в 1917 году.

Объяснение

Характеристические рентгеновские лучи образуются, когда элемент бомбардируется частицами высокой энергии, которыми могут быть фотоны, электроны или ионы (например, протоны). Когда падающая частица ударяется о связанный электрон (целевой электрон) в атоме, целевой электрон выбрасывается из внутренней оболочки атома. После того, как электрон был выброшен, в атоме остается вакантный энергетический уровень , также известный как основная дырка . Электроны внешней оболочки затем падают на внутреннюю оболочку, испуская квантованные фотоны с уровнем энергии, эквивалентным разнице энергий между высшим и низшим состояниями. Каждый элемент имеет уникальный набор энергетических уровней, и поэтому переход от более высоких энергетических уровней к более низким производит рентгеновские лучи с частотами, характерными для каждого элемента. ^[2]

Однако иногда вместо высвобождения энергии в виде рентгеновских лучей энергия может быть передана другому электрону, который затем выбрасывается из атома. Это называется эффектом Оже , который используется в электронной оже-спектроскопии для анализа элементного состава поверхностей.

Обозначения

Различные электронные состояния, существующие в атоме, обычно описываются обозначениями атомных орбиталей , которые используются в химии и общей физике. Однако в рентгеновской науке есть специальная терминология для описания перехода электронов с верхних на нижние энергетические уровни: традиционная нотация Зигбана или, альтернативно, упрощенная рентгеновская нотация .

В обозначениях Зигбана, когда электрон падает из оболочки L в оболочку K, испускаемое рентгеновское излучение называется K-альфа (Kα)-излучением. Аналогичным образом, когда электрон падает из оболочки M в оболочку K, испускаемое рентгеновское излучение называется K-бета- излучением (Kβ). ^[3]

Заметные переходы

К-альфа

Обозначения Зигбана для электронных переходов между оболочками.

K-альфа Эмиссионные линии возникают, когда электрон переходит на вакансию в самой внутренней оболочке «K» ( главное квантовое число n = 1) с p -орбитали второй оболочки «L» ( n = 2), оставляя там вакансию. .

Полагая, что первоначально в K-оболочке имеется единственная вакансия (и, следовательно, там уже есть один электрон), а также что L-оболочка не совсем пуста в конечном переходном состоянии, это определение ограничивает минимальную величину число электронов в атоме до трех, т. е. до лития (или литийподобного иона). ^[4] В случае двух- или одноэлектронных атомов вместо этого говорят о He -альфа и Лайман-альфа соответственно. В более формальном определении оболочка L изначально полностью занята. В данном случае более легкий вид с К-альфа — неон . ^[5] Этот выбор также прочно помещает K-альфа в диапазон энергии рентгеновских лучей .

Подобно Лайман-альфа, излучение K-альфа состоит из двух спектральных линий: K-альфа ₁ (Kα ₁ ) и K-альфа ₂ (Kα ₂ ). ^[6] Излучение K-альфа ₁ немного выше по энергии (и, следовательно, имеет меньшую длину волны), чем излучение K-альфа ₂ . Для всех элементов соотношение интенсивностей К-альфа ₁ и К-альфа ₂ очень близко к 2:1. ^[7]

Примером линий K-альфа является K-альфа Fe , излучаемая, когда атомы железа движутся по спирали в черную дыру в центре галактики. ^[8] Линия K-альфа в меди часто используется в качестве основного источника рентгеновского излучения в лабораторных приборах рентгеновской дифракционной спектрометрии (XRD).

К-бета

К-бета-эмиссия, аналогичная К-альфа-эмиссии, возникает, когда электрон переходит на самую внутреннюю оболочку «К» (главное квантовое число 1) с 3p-орбитали третьей или «М» оболочки (с главным квантовым числом 3).

Переходные энергии

Энергии перехода можно приближенно рассчитать, используя закон Мозли . Например, $E_{K\alpha }={\frac {3}{4}}(Z-1)^{2}Ry\approx 10.2(Z-1)^{2}~\mathrm {eV}$ , где Z — атомный номер, а Ry — энергия Ридберга . Энергия железа ( Z = 26 ) K-альфа, рассчитанная таким образом, составляет 6,375 кэВ с точностью до 1%. Однако при более высоких значениях Z ошибка быстро растет.

Точные значения энергий перехода Kα, Kβ, Lα, Lβ и т. д. для разных элементов можно найти в атомных базах данных. ^[5]^[9]

Приложения

Характеристические рентгеновские лучи можно использовать для идентификации конкретного элемента, из которого они испускаются. Это свойство используется в различных методах, включая рентгеновскую флуоресцентную спектроскопию , рентгеновское излучение, индуцированное частицами , энергодисперсионную рентгеновскую спектроскопию и рентгеновскую спектроскопию с дисперсией по длине волны .

См. также

Ссылки

^ Виттке, Джеймс Х. «Происхождение характеристических рентгеновских лучей» . Архивировано из оригинала 9 июля 2013 года . Проверено 18 июня 2013 г.
^ «Рентгеновская флуоресценция (XRF): понимание характеристических рентгеновских лучей» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 28 декабря 2013 года . Проверено 18 июня 2013 г.
^ Нейв, Карл Р. «Характеристические рентгеновские лучи» . Гиперфизика . Проверено 18 июня 2013 г.
^ Берден, Дж. А. (1967). «Рентгеновские волны» . Обзоры современной физики . 39 (1): 78–124. Бибкод : 1967РвМП...39...78Б . дои : 10.1103/RevModPhys.39.78 . Проверено 1 июля 2021 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б База данных NIST по энергиям рентгеновского перехода
^ Кларк, СМ; Датроу, Б.Л. «Монокристаллическая рентгеновская дифракция» . Геохимические приборы и анализ . Карлтон Колледж . Проверено 22 апреля 2019 г.
^ Клюг, HP; Александр, Л.Е. (1974). Рентгеноструктурные методы: для поликристаллических и аморфных материалов (2-е изд.). Джон Уайли и сыновья, Inc. с. 86. ИСБН 978-0-471-49369-3 .
^ Фукумура, Кейго; Цурута, Сатико (1 октября 2004 г.). «Профили флуоресцентных линий железа Kα по спиральным аккреционным потокам в активных ядрах галактик» . Астрофизический журнал . 613 (2): 700–709. arXiv : astro-ph/0405337 . Бибкод : 2004ApJ...613..700F . дои : 10.1086/423312 . S2CID 119372852 .
^ База данных Spectr-W3

[1] Виттке, Джеймс Х. «Происхождение характеристических рентгеновских лучей» . Архивировано из оригинала 9 июля 2013 года . Проверено 18 июня 2013 г.

[2] «Рентгеновская флуоресценция (XRF): понимание характеристических рентгеновских лучей» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 28 декабря 2013 года . Проверено 18 июня 2013 г.

[3] Нейв, Карл Р. «Характеристические рентгеновские лучи» . Гиперфизика . Проверено 18 июня 2013 г.

[4] Берден, Дж. А. (1967). «Рентгеновские волны» . Обзоры современной физики . 39 (1): 78–124. Бибкод : 1967РвМП...39...78Б . дои : 10.1103/RevModPhys.39.78 . Проверено 1 июля 2021 г.

[NIST-XrayTrans-5] Перейти обратно: ^а ^б База данных NIST по энергиям рентгеновского перехода

[6] Кларк, СМ; Датроу, Б.Л. «Монокристаллическая рентгеновская дифракция» . Геохимические приборы и анализ . Карлтон Колледж . Проверено 22 апреля 2019 г.

[7] Клюг, HP; Александр, Л.Е. (1974). Рентгеноструктурные методы: для поликристаллических и аморфных материалов (2-е изд.). Джон Уайли и сыновья, Inc. с. 86. ИСБН 978-0-471-49369-3 .

[8] Фукумура, Кейго; Цурута, Сатико (1 октября 2004 г.). «Профили флуоресцентных линий железа Kα по спиральным аккреционным потокам в активных ядрах галактик» . Астрофизический журнал . 613 (2): 700–709. arXiv : astro-ph/0405337 . Бибкод : 2004ApJ...613..700F . дои : 10.1086/423312 . S2CID 119372852 .

[9] База данных Spectr-W3

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]