1 PROMIENIOWANIE X, A ENERGETYCZNA STRUKTURA ATOMÓWWYKŁAD 15 PROMIENIOWANIE X, A ENERGETYCZNA STRUKTURA ATOMÓW
2 Rura wyładowcza; odkrycie nowego nieznanego promieniowania X, Roentgen, 1895 r.Szczegóły eksperymentu: rura umieszczona w czarnym kartonie, na zewnątrz ekran pokryty platynocyjankiem baru, wyładowanie w rurze wywołuje świecenie ekranu; pierwsze obrazy rtg duża przenikalność nowego promieniowania Promieniowanie rtg; promieniowanie elektromagnetyczne o energiach fotonu od 1 – 100 keV, długościach fali od 0.1 – 10 Å
3 próżnia, brak absorpcji i załamaniaPrzenikalność krótkofalowego promieniowania e-m, a klasyczny opis oddziaływania fali e-m z ośrodkami materialnymi: próżnia, brak absorpcji i załamania ośrodek materialny o współczynniku załamania n; absorpcja i załamanie
4 Zespolony współczynnik załamania ośrodka materialnego w pobliżu rezonansu, model Lorentza
5 Rzeczywisty współczynnik załamania typowego ośrodka materialnego, model LorentzaDla dużych częstości n → 1, elektrony „nie nadążają” za polem elektrycznym
6 Dlaczego w rzeczywistości jest inaczej?Klasycznie promieniowanie X wydaje się zupełnie nieszkodliwe (brak oddziaływania) Dlaczego w rzeczywistości jest inaczej? Kwantowa natura fali elektromagnetycznej (efekt fotoelektryczny) dla krótszej długości fali wiązka promieniowania o tej samej mocy zawiera mniejszą liczbę fotonów o większej energii; dla bardzo krótkiej długości fali obserwujemy absorpcję dużej energii (foton X) w małej objętości ośrodka Dla fal optycznych energia zaabsorbowana lokalnie jest znacznie mniejsza
7 Kwanty promieniowania e–m o tak dużej energii w atomach? Owszem, ale przejścia z udziałem wewnętrznych (nie zewnętrznych) elektronów w cięższych atomach Np. atomy wodoropodobne o dużym Z Dla Z = 30 energie przejść emisyjnych są ≤ 12.2 keV seria K n = 1 seria L n = 2 seria M n = 3 seria N n = 4
8 Powstawanie serii K, L i M w widmie rentgenowskiego promieniowania charakterystycznegoCopyright © Springer-Verlag, The Physics of Atoms and Quanta by Hermann Haken and Hans Christoph Wolf Copyright © for the Polish edition by Wydawnictwo Naukowe PWN SA, Warszawa 2002
9 Jonizacja (strzałka do góry)Powstawanie serii K, L i M w widmie rentgenowskiego promieniowania charakterystycznego Jonizacja (strzałka do góry) Przejścia z wyższych zapełnionych poziomów na opróżniony poziom (strzałki w dół) z emisją promieniowania Copyright © Springer-Verlag, The Physics of Atoms and Quanta by Hermann Haken and Hans Christoph Wolf Copyright © for the Polish edition by Wydawnictwo Naukowe PWN SA, Warszawa 2002
10 Struktura subtelna w widmie promieniowania rtgzniesienie degeneracji orbitalnej (różne ekranowanie) i oddziaływanie spin – orbita Copyright © Springer-Verlag, The Physics of Atoms and Quanta by Hermann Haken and Hans Christoph Wolf Copyright © for the Polish edition by Wydawnictwo Naukowe PWN SA, Warszawa 2002
11 Położenia linii emisyjnych i krawędzi absorpcji dla różnych pierwiastkówCopyright © Springer-Verlag, The Physics of Atoms and Quanta by Hermann Haken and Hans Christoph Wolf Copyright © for the Polish edition by Wydawnictwo Naukowe PWN SA, Warszawa 2002
12 Energie przejść: Ekranowanie tylko przez elektrony na niższych powłokach; 1 dla K i prawie 8 dla L Prawo Moseleya:
13 Wykres Moseleya dla krawędzi absorpcji różnych pierwiastkówRozbieżność dla większych Z – wskutek sprzężenia spin – orbita Copyright © Springer-Verlag, The Physics of Atoms and Quanta by Hermann Haken and Hans Christoph Wolf Copyright © for the Polish edition by Wydawnictwo Naukowe PWN SA, Warszawa 2002
14 Wytwarzanie promieni rtg, lampa rtgCopyright © Springer-Verlag, The Physics of Atoms and Quanta by Hermann Haken and Hans Christoph Wolf Copyright © for the Polish edition by Wydawnictwo Naukowe PWN SA, Warszawa 2002
15 Promieniowanie z lampy rtg; widmo ciągłeCopyright © Springer-Verlag, The Physics of Atoms and Quanta by Hermann Haken and Hans Christoph Wolf Copyright © for the Polish edition by Wydawnictwo Naukowe PWN SA, Warszawa 2002
16 Promieniowanie z lampy rtg; widmo ciągłeCopyright © Springer-Verlag, The Physics of Atoms and Quanta by Hermann Haken and Hans Christoph Wolf Copyright © for the Polish edition by Wydawnictwo Naukowe PWN SA, Warszawa 2002
17 Widmo ciągłe; promieniowanie hamowaniaCopyright © Springer-Verlag, The Physics of Atoms and Quanta by Hermann Haken and Hans Christoph Wolf Copyright © for the Polish edition by Wydawnictwo Naukowe PWN SA, Warszawa 2002 jądro + szybki elektron → jądro + wolny elektron + hν
18 Widmo ciągłe; promieniowanie hamowania, rozkład przestrzennyCopyright © Springer-Verlag, The Physics of Atoms and Quanta by Hermann Haken and Hans Christoph Wolf Copyright © for the Polish edition by Wydawnictwo Naukowe PWN SA, Warszawa 2002
19 Widmo ciągłe i liniowe, zależność od napięciaCopyright © Springer-Verlag, The Physics of Atoms and Quanta by Hermann Haken and Hans Christoph Wolf Copyright © for the Polish edition by Wydawnictwo Naukowe PWN SA, Warszawa 2002
20 Przykład: antykatoda z RhWidmo ciągłe i liniowe, zależność od napięcia i od materiału antykatody Przykład: antykatoda z Rh Dla V0 > 0.5 kV linie serii M Dla V0 > 3 kV linie serii M i L Dla V0 > 23 kV linie serii M, L i K Widmo liniowe obserwujemy, gdy energia elektronów qeV0 (zatem także maksymalna energia kwantu X) przekracza krawędź absorpcji dla danej serii
21 Rentgenowskie widma absorpcyjne i emisyjneplatyna Copyright © Springer-Verlag, The Physics of Atoms and Quanta by Hermann Haken and Hans Christoph Wolf Copyright © for the Polish edition by Wydawnictwo Naukowe PWN SA, Warszawa 2002
22 Efekt konkurencyjny do emisji promieniowania rtgEfekt Augera Efekt konkurencyjny do emisji promieniowania rtg NX liczba fotonów X Copyright © Springer-Verlag, The Physics of Atoms and Quanta by Hermann Haken and Hans Christoph Wolf Copyright © for the Polish edition by Wydawnictwo Naukowe PWN SA, Warszawa 2002
23 Zależność współczynnika Augera od liczby ZCopyright © Springer-Verlag, The Physics of Atoms and Quanta by Hermann Haken and Hans Christoph Wolf Copyright © for the Polish edition by Wydawnictwo Naukowe PWN SA, Warszawa 2002
24 Spektroskopia fotoelektronowa (XPS – X-ray Photoelectron Spectroscopy)Copyright © Springer-Verlag, The Physics of Atoms and Quanta by Hermann Haken and Hans Christoph Wolf Copyright © for the Polish edition by Wydawnictwo Naukowe PWN SA, Warszawa 2002