Charakteristische Röntgenstrahlung

Die charakteristische Röntgenstrahlung ist ein Linienspektrum von Röntgenstrahlung, welches bei Übergängen zwischen Energieniveaus der inneren Elektronenhülle entsteht und für das jeweilige Element kennzeichnend ist. Sie wurde durch Charles Glover Barkla entdeckt, der dafür 1917 den Nobelpreis für Physik erhielt.

Entstehung

Entstehung der charakteristischen Röntgenstrahlung

Die charakteristischen Linien des Röntgenspektrums ($ K_{\alpha } $, $ K_{\beta } $,…) entstehen im Bild des bohrschen Atommodells wie folgt:

• Ein freies, energiereiches Elektron schlägt ein gebundenes Elektron aus einer inneren Schale seines Atoms heraus. Dabei muss auf das gestoßene Elektron mindestens die Energie übertragen werden, die zur Anregung auf eine noch unbesetzte Schale nötig ist. Meist ist sie größer als die vorherige Bindungsenergie des Elektrons, und das Atom wird ionisiert.
• Die entstandene Lücke wird durch ein Elektron einer äußeren Schale geschlossen. Da die Elektronen auf den äußeren Schalen höhere Energien aufweisen, müssen sie die Differenz der Energie bei ihrem Wechsel auf eine weiter innen gelegene Schale abgeben.
• Dies geschieht wegen der typischerweise in der Größenordnung 1–100 keV liegenden Energiedifferenz der Elektronenhülle in den beiden Zuständen (fehlendes Elektron in innerer Schale und in äußerer Schale) in Form von Röntgenstrahlung. Die Strahlung besitzt also die Energiedifferenz zwischen höherer (z. B. L-) und niedrigerer (z. B. K-)Schale. Da diese Energiedifferenz elementspezifisch ist, nennt man die Röntgenstrahlung „charakteristische Röntgenstrahlung“.
• Die Wellenlänge und damit die Energie der emittierten Strahlung kann mit dem moseleyschen Gesetz berechnet werden.

Bezeichnung der Spektrallinien

Die ersten drei K-Linien von Kupfer

Zur Bezeichnung der Röntgenlinien gibt man zunächst die innere Schale an, in die das Elektron bei der Emission übergegangen ist, z. B. K, L, M, usw. Ein griechischer Buchstabe als Index gibt die Differenz zur Hauptquantenzahl n der äußeren Schale an, aus der das Elektron kam. Z. B. entspricht

• ein Index alpha einem $ \Delta n $ von 1, d. h. der nächsthöheren Schale (für die K-Serie ist das die L-Schale)
• ein Index beta einem $ \Delta n $ von 2 (für die K-Serie ist das die M-Schale), usw.

Bei den L- und M-Serien sowie bei Atomen mit höherer Ordnungszahl ist diese Zuordnung nicht mehr so eindeutig. Hier spielt die Feinstrukturaufspaltung eine Rolle. Zusätzlich zum griechischen Index wird dann noch ein numerischer Index zur Unterscheidung der Linien verwendet.

Auftreten mehrerer Spektrallinien nach einer Elektronenanregung

Atome mit höherer Ordnungszahl haben mehrere äußere Schalen, die zur Auffüllung des Lochs in der inneren Schale ein Elektron liefern können. Auch kann das Loch in verschiedenen inneren Schalen entstehen. Dementsprechend können diese Atome auch Röntgenstrahlen unterschiedlicher Energie aussenden.

• Nachdem ein Elektron auf die K-Schale gefallen ist, ist wiederum z. B. die L-Schale unterbesetzt. Ein weiteres Elektron aus einer noch höheren Schale fällt herunter unter Aussendung eines weiteren Photons. Dieses zweite Photon ist von niedriger Energie und trägt in diesem Beispiel zur L-Linie bei.
• Neben der Röntgenemission bildet – besonders bei leichten Atomen mit Ordnungszahlen $ Z<30 $ – die Übertragung der Energie auf weiter außen gelegene Elektronen eine andere Möglichkeit für den Ausgleich der Energiedifferenz (siehe Auger-Effekt).

Erzeugung in der Röntgenröhre

Spektrallinien von Röntgenstrahlung einer Kupferanode. Die horizontale Achse zeigt den Ablenkwinkel nach Bragg-Reflexion an einem LiF-Kristall

In einer Röntgenröhre treffen energiereiche Elektronen auf eine Anode, wo diese einerseits charakteristische Röntgenstrahlung erzeugen, andererseits aber auch Bremsstrahlung erzeugt wird. In der graphischen Auftragung des Spektrums erscheinen die Linien der charakteristischen Röntgenstrahlung als hohe Erhebungen, während der Untergrund von der Bremsstrahlung gebildet wird.

Anwendung

Die charakteristische Röntgenstrahlung wird mit Detektoren ausgewertet, die die Energie oder die Wellenlänge der Röntgenquanten bestimmen. Aus dem Spektrum kann qualitativ auf die Elementzusammensetzung der Probe geschlossen werden, durch eine ZAF-Korrektur ist außerdem auch eine quantitative Analyse möglich. Dieses Prinzip wird bei der Röntgenfluoreszenzanalyse bzw. energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDX/EDS) und wellenlängendispersiven Röntgenspektroskopie (WDX/WDS) angewandt.

Weblinks

• Datenbank (X-Ray Transition Energies Database) für die Energien der charakteristischen Röntgenstrahlung (theoretisch und experimentell) verschiedener Stoffe (engl.)
• LP: Charakteristische Strahlung, Georg-August-Universität Göttingen. Hinweise insbesondere auch zur Notation.

Siehe auch

• Absorptionskante