Charakteristische Röntgenstrahlung

Die charakteristische Röntgenstrahlung ist als Linienspektrum der Teil des Röntgenspektrums, der für das jeweils verwendete Anodenmaterial typisch und eindeutig ist.

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Erscheinung & Entstehung

Die charakteristischen Linien sind in der graphischen Auswertung des Spektrums durch hohe Erhebungen zu sehen.

Die charakteristischen Linien des Röntgenspektrums (K_α, K_β,…) entstehen wie folgt:

• Ein freies, energiereiches Elektron schlägt ein gebundenes Elektron aus der K- oder L-Schale seines Atoms heraus. Dabei muss auf das gestoßene Elektron mindestens die Energie übertragen werden, die seiner vorherigen Bindungsenergie entspricht.
• 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 in Form von Röntgenstrahlung, deren Energie durch die Energiedifferenz der Elektronenhülle in den beiden Zuständen (fehlendes Elektron in innerer Schale und in äußerer Schale) bestimmt ist. Sie entspricht also der jeweiligen Energiedifferenz zwischen höherer (z. B. L-) und niedriger (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.
• 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).

Bezeichnung der Spektrallinien

Zur Bezeichnung der Röntgenlinien gibt man zunächst die innere Schale an (z. B. K), dann einen griechischen Buchstaben, der die äußere Schale angibt. Bei der K-Serie bedeutet K_α, dass die äußere Schale die L-Schale ist, K_β, dass sie die M-Schale ist usw. Bei den L- und M-Serien ist diese Zuordnung nicht mehr so eindeutig. Hier spielt die Feinstrukturaufspaltung aufgrund der Bahnentartung und der Spin-Bahn-Wechselwirkung eine größere Rolle, besonders bei sehr schweren Atomen. Zusätzlich zum griechischen Index wird dann noch ein numerischer Index zur Unterscheidung der Linien verwendet.

Anwendung

Die charakteristische Röntgenstrahlung wird mit Detektoren ausgewertet, die die Energie oder die Wellenlänge der Röntgenquanten bestimmen. Aus dem Spektrum kann auf die Elementzusammensetzung der Probe geschlossen werden.

Siehe auch

• Bremsstrahlung