Karakteristinen säteily

Karakteristinen röntgensäteily on kullekin alkuaineelle tyypillistä röntgensäteilyä, joka syntyy, kun atomin ulommalla kuorella oleva elektroni siirtyy sisemmällä kuorella olevaan aukkoon. Karakteristisen säteilyn löysi vuonna 1909 Charles Glover Barkla, joka sai löydöstään Nobelin fysiikanpalkinnon vuonna 1917.

Karakteristista röntgensäteilyä syntyy, kun alkuainetta pommitetaan korkeaenergisillä hiukkasilla, jotka voivat olla fotoneja, elektroneja tai ioneja, esimerkiksi protoneja. Kun saapuva hiukkanen osuu atomin sisemmällä kuorella olevaan elektroniin, kohde-elektroniin, tämä irtoaa atomista. Tällöin atomille jää tyhjä energiataso. Aukon täyttää pian jokin siihen ulommalta kuorelta siirtyvä elektroni. Tällöin atomi samalla emittoi fotonin, jonka energia vastaa ulomman ja sisemmän elektronikuoren välistä energiaeroa. Jokaisella alkuaineella on sille ominainen energiatasojen joukko, joten elektronin siirtyminen korkeammalta energiatasolta matalammalle tuottaa röntgensäteitä, joiden taajuus on kullekin alkuaineelle tyypillinen.

Joskus energia ei vapaudu röntgensäteen muodossa, vaan energia voidaan siirtää toiselle elektronille, joka sitten poistuu atomista. Tätä kutsutaan Auger-ilmiöksi, jota käytetään Auger-elektronispektroskopiassa pintojen alkuainekoostumuksen analysointiin.

Merkintä

Atomin elektronikuoren merkintöinä käytetään fysiikassa ja kemiassa yleisesti kirjaimia K, L, M, N, O, P ja Q, jotka vastaavat pääkvanttiluvun arvoja 1...7. Röntgensäteilyn yhteydessä käytetään lisäksi erityisiä merkintöjä tarkoittamaan elektronien siirtymistä ylemmistä energiatasoista alempiin tasoihin. Tällaisia ovat vanhastaan käytetty Siegbahnin merkintä sekä myöhemmin käyttöön tullut yksinkertaistettu röntgennotaatio.

Siegbahnin merkinnssä K-alfa (Kα) tarkoittaa elektronin siirtymistä L-kuorelta K-kuorelle. Vastaavasti K-beeta (Kβ) tarkoittaa siirtymää M-kuorelta K-kuorelle. Siirtymiä merkitään yhdellä latinalaisella ja yhdellä kreikkalaisella kirjaimella, joista edellinen osoittaa, mille kuorelle elektroni siirtyy, jälkimmäinen taas (kreikkalaisen aakkosjärjestyksen mukaisesti), kuinka monta yksikköä ylemmältä kuorelta tälle kuorelle siirtyy (α=1, β=2 jne.).

Tärkeimmät siirtymät

K-alfa

Siegbahnin merkintä elektronikuorten välisille siirtymille ja niitä vastaaville spektriviivoille.

K-alfa-emissioviivat syntyvät, kun elektroni siirtyy tyhjään ”K”-kuoreen (pääkvanttiluku n = 1) toisen ”L”-kuoren p-orbitaalista (n = 2), jättäen siihen aukon.

Jos edellytetään, että aluksi K-kuoressa on yksi elektroni ja yksi tyhjä aukko ja että L-kuori ei siirtymän jälkeenkään jää täysin tyhjäksi, on atomissa oltava vähintään kolme elektronia. Tämän määritelmän mukaan litium (Z=3) on kevyin alkuaine, jolla on K-alfa-viiva. Kaksi- tai yksielektronisten atomien tapauksessa sen sijaan käytetään termejä He-alfa ja Lyman-alfa. Muodollisemmassa määritelmässä edellytetään, että L-kuori on alkutilanteessa täysi. Siinä tapauksessa neon on kevyin alkuaine, jolla on K-alfa-viiva. Tämä määritelmä rajoittaa K-alfan kaikissa tapauksissa röntgensäteilyn aallonpituusalueelle.

Samoin kuin Lyman-alfa, K-alfa-emissio koostuu kahdesta spektriviivasta, K-alfa1 (Kα1) ja K-alfa2 (Kα2). K-alfa1-emissiossa vapautuu hieman enemmän energiaa kuin K-alfa2-emissiossa, ja siten edellisellä on hiemen pienempi aallonpituus kuin jälkimmäisellä. Kaikilla alkuaineilla K-alfa1:n ja K-alfa2:n intensiteettien suhde on hyvin lähellä arvoa 2:1.

Laboratoriolaitteissa röntgensäteilyn lähteenä käytetään useimmiten kuparianodia, josta lähtevän karakteristisen säteilyn K-alfa-viivan aallonpituus on 1,54 Å.

K-beeta

K-beeta on röntgensäteilyä, joka syntyy elektronin siirtyessä kolmannelta eli M-kuorelta sisimmälle eli K-kuorelle.

Fotonien energiat

Elektronien siirtyessä vapautuvat energiat, toisin sanoen atomin emittoimien fotonien energiat voidaan likipitäen laskea Moseleyn lain avulla. Esimerkiksi

$E_{K\alpha }=(13.6~\mathrm {eV} \cdot (1-({\frac {1}{2^{2}}})(Z-1)^{2}\approx 10.2(Z-1)^{2}~\mathrm {eV}$,

missä Z on alkuaineen järjestysluku. Tällä tavalla laskettu raudan (Z = 26) K-alfa-energia on 6,375 keV, mikä poikkeaa vain noin 1 %:n verran mitatusta arvosta (6,391 keV). Korkeammilla alkuaineen järjestysluvun Z arvoilla poikkeama on kuitenkin paljon suurempi.

Muun muassa Yhdysvaltain standardisointi- ja teknologiainstituutti (NIST) ja Venäjän ydintutkimuskeskus ovat julkaisseet taulukoita siirtymiä Kα, Kβ, Lα, Lβ vastaavista energian ja aallonpituuden arvoista eri alkuaineilla.<

Sovelluksia

Karakteristista röntgensäteilyä voidaan käyttää alkuaineiden tunnistamiseen. Alkuaineiden pitoisuuksia voidaan varsin tarkasti määrittää muun muassa röntgenfluoressenssiin (XRF) perustuvilla laitteilla.