Характеристика рентгеновского снимка - Characteristic X-ray
Характерные рентгеновские лучи испускаются, когда электроны внешней оболочки заполняют вакансию во внутренней оболочке атома , испуская рентгеновские лучи в форме, "характерной" для каждого элемента. Характерные рентгеновские лучи были открыты Чарльзом Гловером Баркла в 1909 году, который позже получил Нобелевскую премию по физике за свое открытие в 1917 году.
Объяснение
Характерные рентгеновские лучи образуются при бомбардировке элемента частицами высокой энергии, которые могут быть фотонами, электронами или ионами (например, протонами). Когда падающая частица ударяется о связанный электрон (целевой электрон) в атоме, целевой электрон выбрасывается из внутренней оболочки атома. После выброса электрона в атоме остается вакантный энергетический уровень , также известный как дыра в ядре . Электроны внешней оболочки затем падают во внутреннюю оболочку, испуская квантованные фотоны с уровнем энергии, эквивалентным разнице энергий между более высоким и более низким состояниями. Каждый элемент имеет уникальный набор уровней энергии, и, таким образом, при переходе от более высоких к более низким уровням энергии возникает рентгеновское излучение с частотами, характерными для каждого элемента.
Иногда, однако, вместо того, чтобы выделять энергию в виде рентгеновских лучей, энергия может быть передана другому электрону, который затем выбрасывается из атома. Это называется эффектом Оже , который используется в электронной спектроскопии Оже для анализа элементного состава поверхностей.
Обозначение
Различные электронные состояния, существующие в атоме, обычно описываются атомными орбитальными обозначениями, которые используются в химии и общей физике. Однако в науке о рентгеновских лучах есть специальная терминология для описания перехода электронов с верхних энергетических уровней на нижние: традиционные обозначения Зигбана или, альтернативно, упрощенные обозначения рентгеновских лучей .
В обозначениях Зигбана, когда электрон падает с L-оболочки на K-оболочку, испускаемое рентгеновское излучение называется K-альфа -рентгеновским излучением. Точно так же, когда электрон падает с M-оболочки на K-оболочку, испускаемое рентгеновское излучение называется K-бета -рентгеновским излучением.
Заметные переходы
К-альфа
K-альфа-эмиссионные линии возникают, когда электрон переходит на вакансию во внутренней "K" -оболочке ( главное квантовое число n = 1) с p- орбитали второй "L" -оболочки ( n = 2), оставляя там вакансию. .
Утверждая, что изначально в K-оболочке есть единственная вакансия (и, следовательно, единственный электрон уже существует), а также что L-оболочка не полностью пуста в конечном состоянии перехода, это определение ограничивает минимальную количество электронов в атоме до трех, т. е. до лития (или литий-подобного иона). В случае двух- или одноэлектронных атомов вместо этого говорят о He -альфа и Лайман-альфа соответственно. В более формальном определении L-оболочка изначально полностью занята. В этом случае более легкие частицы с K-альфа - это неон (см. Базу данных энергий переходов в рентгеновских лучах NIST ). Этот выбор также надежно помещает K-альфа в диапазон энергии рентгеновского излучения.
Подобно Лайман-альфа, излучение К-альфа состоит из двух спектральных линий, К-альфа 1 и К-альфа 2 . 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.
Примером линий K-альфа является Fe K-альфа, излучаемая, когда атомы железа по спирали попадают в черную дыру в центре галактики. Линия K-альфа в меди часто используется в качестве основного источника рентгеновского излучения в лабораторных приборах для дифракционной спектрометрии (XRD).
К-бета
K-бета-излучения, аналогичные K-альфа-излучениям, возникают, когда электрон переходит на самую внутреннюю «K» -оболочку (главное квантовое число 1) с 3p-орбитали третьей или M-оболочки (с главным квантовым числом 3).
Энергии перехода
Энергии переходов можно приблизительно рассчитать с помощью закона Мозли . Например, E K-alpha = (3/4) Ry (Z-1) 2 = (10,2 эВ) ( Z - 1) 2 , где Z - атомный номер, а Ry - энергия Ридберга . Рассчитанная таким образом энергия железа ( Z = 26 ) К-альфа равна6,375 кэВ , точность в пределах 1%. Однако для более высоких Z ошибка быстро растет.
Точные значения энергии перехода K α , K β , L α , L β и так далее для различных элементов можно найти в базе данных энергий переходов рентгеновских лучей NIST и базе данных по атомам Spectr-W3 для плазменной спектроскопии.
Приложения
Характерные рентгеновские лучи можно использовать для идентификации конкретного элемента, из которого они испускаются. Это свойство используется в различных методах, включая рентгеновскую флуоресцентную спектроскопию , индуцированное частицами рентгеновское излучение , энергодисперсионную рентгеновскую спектроскопию и рентгеновскую спектроскопию с дисперсией по длине волны .