Rayos X característicos - Characteristic X-ray

Los rayos X característicos se emiten cuando los electrones de la capa externa llenan un vacío en la capa interna de un átomo , liberando rayos X en un patrón que es "característico" de cada elemento. Los rayos X característicos fueron descubiertos por Charles Glover Barkla en 1909, quien más tarde ganó el Premio Nobel de Física por su descubrimiento en 1917.

Explicación

Los rayos X característicos se producen cuando un elemento es bombardeado con partículas de alta energía, que pueden ser fotones, electrones o iones (como protones). Cuando la partícula incidente golpea un electrón ligado (el electrón objetivo) en un átomo, el electrón objetivo es expulsado de la capa interna del átomo. Una vez que el electrón ha sido expulsado, el átomo queda con un nivel de energía vacante , también conocido como agujero central . Los electrones de la capa exterior luego caen dentro de la capa interior, emitiendo fotones cuantificados con un nivel de energía equivalente a la diferencia de energía entre los estados superior e inferior. Cada elemento tiene un conjunto único de niveles de energía y, por lo tanto, la transición de niveles de energía más altos a más bajos produce rayos X con frecuencias que son características de cada elemento.

A veces, sin embargo, en lugar de liberar la energía en forma de rayos X, la energía se puede transferir a otro electrón, que luego es expulsado del átomo. Esto se llama efecto Auger , que se utiliza en la espectroscopía electrónica Auger para analizar la composición elemental de las superficies.

Notación

Los diferentes estados de electrones que existen en un átomo generalmente se describen mediante notación orbital atómica , como se usa en química y física general. Sin embargo, la ciencia de rayos X tiene terminología especial para describir la transición de electrones desde la parte superior para reducir los niveles de energía: tradicional notación Siegbahn , o alternativamente, simplificado notación de rayos X .

En notación Siegbahn, cuando un electrón cae de la capa L a la capa K, el rayo X emitido se llama rayos X K-alfa . De manera similar, cuando un electrón cae de la capa M a la capa K, los rayos X emitidos se denominan rayos X K-beta .

Transiciones destacadas

K-alfa

Las líneas de emisión K-alfa se producen cuando un electrón pasa a una vacante en la capa "K" más interna ( número cuántico principal n = 1) desde un orbital p de la segunda capa "L" ( n = 2), dejando una vacante allí. .

Al plantear que inicialmente en la capa K hay una sola vacante (y, por lo tanto, un solo electrón ya está allí), así como que la capa L no está completamente vacía en el estado final de la transición, esta definición limita el mínimo número de electrones en el átomo a tres, es decir, al litio (o un ion similar al litio). En el caso de átomos de dos o un electrón, se habla en cambio de He -alfa y Lyman-alfa , respectivamente. En una definición más formal, el caparazón L inicialmente está completamente ocupado. En este caso, la especie más ligera con K-alfa es el neón (consulte la base de datos de energías de transición de rayos X del NIST ). Esta elección también coloca a K-alpha firmemente en el rango de energía de rayos X.

De manera similar a Lyman-alfa, la emisión de K-alfa se compone de dos líneas espectrales, K-alfa 1 y K-alfa 2 . La emisión de K-alfa 1 es ligeramente más alta en energía (y, por lo tanto, tiene una longitud de onda más baja) que la emisión de K-alfa 2 . Para todos los elementos, la relación de las intensidades de K-alfa 1 y K-alfa 2 es muy cercana a 2: 1.

Un ejemplo de líneas K-alfa es el Fe K-alfa emitido cuando los átomos de hierro están girando en espiral hacia un agujero negro en el centro de una galaxia. La línea K-alfa en cobre se utiliza con frecuencia como la fuente principal de radiación de rayos X en instrumentos de espectrometría de difracción de rayos X (XRD) de laboratorio.

K-beta

Las emisiones de K-beta, similares a las emisiones de K-alfa, se producen cuando un electrón pasa a la capa "K" más interna (número cuántico principal 1) desde un orbital 3p de la tercera capa o capa "M" (con el número cuántico principal 3).

Energías de transición

Las energías de transición se pueden calcular aproximadamente mediante el uso de la ley de Moseley . Por ejemplo, E K-alfa = (3/4) Ry (Z-1) 2 = (10.2 eV) ( Z - 1) 2 , donde Z es el número atómico y Ry es la energía de Rydberg . La energía del hierro ( Z = 26 ) K-alfa, calculada de esta manera, es6.375  keV , precisión dentro del 1%. Sin embargo, para Z más altas , el error crece rápidamente.

Los valores precisos de las energías de transición de K α , K β , L α , L β y así sucesivamente para diferentes elementos se pueden encontrar en la base de datos de energías de transición de rayos X del NIST y en la base de datos atómica Spectr-W3 para espectroscopía de plasma.

Aplicaciones

Los rayos X característicos se pueden utilizar para identificar el elemento particular del que se emiten. Esta propiedad se utiliza en diversas técnicas, incluyendo la fluorescencia de rayos X espectroscopia , la emisión de rayos X inducida por partículas , espectroscopía de rayos X de dispersión de energía , y espectroscopia de rayos X de longitud de onda dispersiva .

Ver también

Notas