Характеристические рентгеновские лучи испускаются, когда электроны внешней оболочки 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.
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.
Различные электронные состояния, существующие в атоме, обычно описываются обозначениями атомных орбиталей , которые используются в химии и общей физике. Однако в рентгеновской науке существует 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]
Эмиссионные линии K-альфа 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 изначально 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-эмиссия, аналогичная эмиссии К-альфа, 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).
Энергии перехода можно приближенно рассчитать, используя закон Мозли . Например, , где Z — атомный номер, а Ry — энергия Ридберга . Энергия железа ( Z = 26 ) К-альфа, рассчитанная таким образом, равна6,375 кэВ , точность в пределах 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]
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 .
