Atomphysik

Atomarer Energieaustausch

Charakteristische Röntgenstrahlung

  • Warum leuchten Gase in verschiedenen Farben?
  • Wie entsteht RÖNTGEN-Strahlung?
  • Was versteht man unter einem Quantensprung?

Charakteristische Röntgenstrahlung

Die Linienspektren bei der Lichtemission im optischen Bereich konnten wir als Folge der Übergänge zwischen den diskreten Energienieveaus in der Atomhülle verstehen. Es liegt die Vermutung nahe, dass die Linien im Röntgenspektrum auf ähnliche Weise zustande kommen. Allerdings muss geklärt werden, wie es zum großen Unterschied in der Energie der emittierten Photonen kommt (sichtbare Emissionslinien: eV-Bereich; Röntgen-Emissionslinien: keV-Bereich).

Die charakteristische Röntgenstrahlung tritt nur beim Beschuss von Atomen mit höherer Ordnungszahl auf. Diese Atome haben in ihrer Hülle zahlreiche Elektronen (z.B. Kupfer 29 Elektronen; Molybdän 42 Elektronen), welche durch die jeweils entsprechende Zahl von Protonen des Kerns gebunden werden.

Um die Emission von Röntgen-Photonen verstehen zu können, muss man folgende Fakten wissen (die z.T. erst in der Oberstufe fundiert geklärt werden):

  • Aufgrund des elektrischen Feldes der Kernprotonen sind kernnahe, "innere" Elektronen stärker gebunden als kernferne, "äußere" Elektronen.
  • Bei den Atomen höherer Ordnungszahlen kommt es zur Ausbildung sogenannter energetischer Elektronenschalen, die nur eine bestimmte Anzahl von Elektronen aufnehmen können.
    Wichtig:
    Stelle dir die Elektronenschalen nicht örtlich wie "Zwiebelschalen" um den Kern vor, sondern als Energieniveaus, die von einer bestimmten Zahl von Elektronen besetzt werden können.
    Für die Schalen werden neben der Quantenzahl n auch Großbuchstaben benutzt (vergleiche die folgende Tabelle). Für die maximale Besetzungszahl der n-ten Schale mit Elektronen gilt die Beziehung:

\[2 \cdot {n^2}\]

Quantenzahl n
weitere Bezeichnung
maximale Besetzungszahl
1
K-Schale
2
2
L-Schale
8
3
M-Schale
18
4
N-Schale
32
.
. . . . .
. . .
  • In der nebenstehenden Skizze sind die Bezeichnungen einiger Emissionslinien eingetragen.
2 Entstehung der charakteristischen RÖNTGEN-Strahlung

In der Animation sind drei Möglichkeiten dargestellt, wie das Atom vom Anregungszustand in den Grundzustand übergehen kann. Nenne noch eine 4. Möglichkeit.

Fazit

Das Auftreten von Linien im Röntgenspektrum kann durch die Photonenaussendung beim Übergang des Atoms von einem definierten Ausgangsniveau in ein definiertes Endniveau erklärt werden (dies deckt sich mit der Erklärung der Linien im optischen Bereich).

Die Photonenenergien und damit die Lage der charakteristischen Linien im Spektrum sind charakteristisch für das verwendete Anodenmaterial.

In den charakteristischen Röntgenspektren ist die Kα-Linie stets besonders ausgeprägt. Sie ist von sehr vielen Elementen gut dokumentiert. In der folgenden Tabelle sind die Wellenlängen und die Quantenenergien für die Kα-Linien einiger Elemente (Namen der Elemente in der Formelsammlung suchen) aufgelistet.

Element
Al
Cl
K
Ca
Cr
Mn
Fe
Co
Ni
Cu
Zn
Mo
Wellenlänge der Kα-Linie in 10-10m
8,36
4,75
3,76
3,37
2,30
2,11
1,95
1,80
1,66
1,53
1,45
0,72
zugehörige Photonenenergie in keV
1,48
2,61
3,30
3,68
5,39
5,88
6,36
6,89
7,47
8,10
8,55
17,4

Beachte hierzu die Musteraufgabe zur Röntgenfluoreszenzanalyse.

Druckversion