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Grundwissen

Charakteristische RÖNTGEN-Strahlung

Das Wichtigste auf einen Blick

  • Im kontinuierlichen Röntgenspektrum können charakteristische Linien identifiziert werden, die sog. charakteristische Röntgenstrahlung.
  • Ursache sind Übergänge von Elektronen zwischen spezifischen energetischen Elektronenschalen (K-Schale, L-Schale, M-Schale,...).
  • Die Kα-Linie ist in charakteristischen Röntgenspektren besonders stark ausgeprägt und die Lage der Linie im kontinuierlichen Spektrum stoffspezifisch.
Aufgaben Aufgaben

Charakteristische Linien im Röntgenspektrum

Joachim Herz Stiftung
Abb. 1 Charakteristisches Röntgenspektrum bei verschiedenen Beschleunigungsspannungen in Wellenlängendarstellung

Zusätzlich zum kontinuierlichen Spektrum der Bremsstrahlung treten bei ausreichend großer Beschleunigungsspannung auch charakteristische Linien im Röntgenspektrum auf. Die charakteristischen Linien werden sowohl in der Wellenlängendarstellung als auch in der Photonenenergiedarstellung sichtbar (siehe Abb. 1 und Abb. 2).

Die Linienspektren kann man bei der Lichtemission im optischen Bereich als Folge der Übergänge zwischen den diskreten Energieniveaus in der Atomhülle verstehen. Die charakteristischen Linien im Röntgenspektrum kommen auf ähnliche Weise zustande.  Jedoch liegen die Energie der emittierten Photonen bei Lichtemission nur im \(\rm{eV}\)-Bereich, während die Energien der Photonen bei Röntgen-Emissionslinien im \(\rm{keV}\)-Bereich liegen, also 1000-mal höher.

Charakteristische Röntgenstrahlung nur bei höherer Ordnungszahl

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Abb. 2 Charakteristisches Röntgenspektrum bei verschiedenen Beschleunigungsspannungen in Energiedarstellung

Die charakteristische Röntgenstrahlung tritt nur beim Beschuss von Atomen mit höherer Ordnungszahl auf. Diese Atome haben in ihrer Hülle zahlreiche Elektronen in unterschiedlichen energetischen Elektronenschalen.

Um die Emission von Röntgen-Photonen verstehen zu können, sind die folgenden Fakten wichtig:

  • Aufgrund des elektrischen Feldes der Kernprotonen sind kernnahe, "innere" Elektronen stärker gebunden als kernferne, "äußere" Elektronen.
  • Bei den Atomen kommt es zur Ausbildung sog. 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 Bezeichnung der Schalen werden neben der Quantenzahl \(n\) auch die in der folgenden Tabelle gezeigten Großbuchstaben benutzt. Für die maximale Besetzungszahl der \(n\)-ten Schale mit Elektronen gilt dabei: \[\text{maximale Besetzungszahl}=2 \cdot {n^2}\]
Quantenzahl \(n\) Schale max. Besetzungszahl
1 K-Schale 2
2 L-Schale 8
3 M-Schale 18
4 N-Schale 32
... ... ...

 

Entstehung der charakteristischen Röntgen-Strahlung

Abb. 3 Entstehung der charakteristischen RÖNTGEN-Strahlung
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Abb. 4 Bezeichnungen der charakteristischen Emissionslinien

Die Animation zeigt drei verschiedene Möglichkeiten, wie ein angeregtes Atom, bei dem ein Elektron von der K-Schale auf die N-Schale angehoben wurde, wieder in den Grundzustand übergehen kann.

  1. Ein Elektron der N-Schale füllt das Loch in der K-Schale. Dabei kommt es zur Emission eines Photons mit der Energie \(K_{\gamma}\).
  2. Ein Elektron der M-Schale füllt das Loch der K-Schale und ein Elektron der N-Schale das neue Loch in der M-Schale. Dabei kommt es zur Emission eines Photons mit der Energie  \(K_{\beta}\) und eines mit der Energie  \(M_{\alpha}\).
  3. Ein Elektron der L-Schale füllt das Loch in der K-Schale und ein Elektron der N-Schale das neue Loch in der L-Schale. Dabei kommt es zur Emission eines Photons mit der Energie  \(K_{\alpha}\) und eines mit der Energie  \(L_{\beta}\).

Weiter gibt es noch eine vierte Möglichkeit, die am wahrscheinlichsten auftritt (siehe Abb. 4):

  1. Ein Elektron der L-Schale, füllt das Loch in der K-Schale, ein Elektron der M-Schale das neue Loch in der L-Schale und ein  Elektron der N-Schale das neue Loch in der M-Schale. Dabei kommt es zur Emission eines Photons mit der Energie \(K_{\alpha}\), eines mit der Energie \(L_{\alpha}\) und eines mit der Energie  \(M_{\alpha}\).
Zusammenfassung

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.

Simulation

In der folgenden Simulation kannst du die charakteristischen Röntgenspektren von unterschiedlichen Anodenmaterialien bei verschiedenen Betriebsspannungen (Beschleunigungsspannung der Elektronen) simulieren und so den Einfluss der Parameter auf das charakteristische Spektrum untersuchen. Dabei kannst du die Darstellung zwischen der Energieverteilung, der Wellenlängenverteilung und der Frequenzverteilung wechseln. 

Abb. 5 Simulation von charakteristischen Röntgenspektren

Wir danken Thomas Kippenberg für die Erlaubnis, diese Simulation auf LEIFIphysik zu nutzen. Der Code steht unter GNU GPLv3 / Thomas Kippenberg; https://www.kippenbergs.de

\(K_{\alpha}\)-Linien verschiedener Anodenmaterialien

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 Photonenenergien für die Kα-Linien einiger Elemente aufgelistet.

Element Al Cl K Ca Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Mo
Wellenlänge der Kα-Linie in \(10^{-10}\,\rm{m}\) 8,36 4,75 3,76 3,37 2,30 2,11 1,94 1,80 1,80 1,55 1,45 0,72
zugehörige Photonenenergie in \(\rm{keV}\) 1,48 2,61 3,30 3,68 5,39 5,88 6,39 6,89 7,47 8,00 8,55 17,2

 

Beachte hierzu die Musteraufgabe zur Röntgenfluoreszenzanalyse.

Verständnisaufgabe

Bestimme mithilfe der Tabelle, welches Anodenmaterial in der Röntgenröhre genutzt wurde, dessen Röntgenspektrum in Abb. 1 und Abb. 2 dargestellt ist.

Lösungsvorschläge

Lösung

Die charakteristische und besonders deutliche \(K_{\alpha}\)-Spektrallinie im Spektrum in Abb. 1 liegt bei \(17{,}2\,\rm{keV}\), als Anodenmaterial diente daher Molybdän (Mo). Dies passt auch zur \(K_{\alpha}\)-Linie in Wellenlängendarstellung bei \(\lambda=0{,}72\cdot 10^{-10}\,\rm{m}=72\,\rm{pm}\).