Charakteristische Röntgenstrahlung

Grundprinzip und Bedeutung

Charakteristische Röntgenstrahlung ist ein Linienspektrum aus einzelnen, klar bestimmten Röntgenlinien. Es entsteht, wenn Elektronen zwischen Energieniveaus der inneren Elektronenhülle eines Atoms wechseln. Da die Abstände dieser Energieniveaus für jedes chemische Element kennzeichnend sind, besitzen auch die ausgesandten Röntgenquanten elementspezifische Energien und Wellenlängen. Dadurch lässt sich anhand des Spektrums bestimmen, welche Elemente in einer Probe enthalten sind.

Entdeckt wurde die charakteristische Röntgenstrahlung von Charles Glover Barkla. Dafür erhielt er 1917 den Nobelpreis für Physik.

Bildung der Röntgenquanten

Im Schalenmodell beginnt der Vorgang damit, dass ein freies, energiereiches Elektron auf ein Atom trifft und ein gebundenes Elektron aus einer inneren Schale herausschlägt. Dabei muss mindestens so viel Energie übertragen werden, wie das gebundene Elektron für den Sprung auf eine noch unbesetzte Schale benötigt. Meist ist die Stoßenergie größer als seine bisherige Bindungsenergie, sodass das Elektron das Atom verlässt und das Atom ionisiert wird.

In der inneren Schale bleibt dadurch eine Lücke zurück. Ein Elektron aus einer weiter außen liegenden Schale kann diese Lücke schließen. Da dieses äußere Elektron vorher ein höheres Energieniveau besaß, muss es beim Übergang auf die innere Schale die Energiedifferenz abgeben. Diese Energie wird als Photon, also als Strahlungsquantum, ausgesandt.

Die Photonenenergie entspricht genau der Energiedifferenz zwischen den beteiligten Schalen, beispielsweise zwischen der L- und der K-Schale. Sie liegt typischerweise in der Größenordnung von 1–100 keV und damit im Röntgenbereich des elektromagnetischen Spektrums. Weil die Energiedifferenzen von der Elektronenhülle des jeweiligen Elements abhängen, spricht man von charakteristischer Röntgenstrahlung. Wellenlänge und Energie der ausgesandten Strahlung können mit dem moseleyschen Gesetz berechnet werden.

Benennung der Linien

Eine Röntgenlinie wird zuerst nach der inneren Schale benannt, in die das Elektron übergeht: K, L, M und so weiter. Ein griechischer Buchstabe als Index beschreibt die Differenz Δn zwischen den Hauptquantenzahlen der äußeren und der inneren Schale.

• Der Index α steht für Δn = 1. Bei der K-Serie handelt es sich damit um einen Übergang von der nächsthöheren L-Schale auf die K-Schale; die Linie heißt Kα.

• Der Index β steht für Δn = 2. Bei der K-Serie kommt das Elektron aus der M-Schale; die Linie heißt Kβ.

Bei den L- und M-Serien sowie bei Atomen mit höherer Ordnungszahl ist diese einfache Zuordnung nicht mehr eindeutig. Dann muss die Feinstrukturaufspaltung berücksichtigt werden. Zusätzlich zum griechischen Index erhält die Linie deshalb einen numerischen Index, durch den ähnliche Linien unterschieden werden.

Mehrere Linien und Auger-Effekt

Atome mit höherer Ordnungszahl besitzen mehrere äußere Schalen, aus denen Elektronen eine Lücke in einer inneren Schale auffüllen können. Außerdem kann die ursprüngliche Lücke in unterschiedlichen inneren Schalen entstehen. Daher kann ein solches Atom Röntgenquanten mit verschiedenen Energien aussenden, sodass mehrere Spektrallinien auftreten.

Fällt beispielsweise ein Elektron von der L- auf die K-Schale, wird die L-Schale anschließend selbst unterbesetzt. Ein Elektron aus einer noch weiter außen gelegenen Schale kann nun auf die L-Schale fallen und dabei ein weiteres Photon aussenden. Dieses zweite Photon besitzt eine niedrigere Energie und trägt in diesem Beispiel zu einer L-Linie bei.

Die Energiedifferenz muss nicht immer als Röntgenphoton abgegeben werden. Besonders bei leichten Atomen mit Ordnungszahlen Z < 30 kann die Energie stattdessen auf ein weiter außen gelegenes Elektron übertragen werden. Dieser Vorgang wird als Auger-Effekt bezeichnet.

Erzeugung, Messung und Analyse

In einer Röntgenröhre treffen energiereiche Elektronen auf eine Anode. Dabei entstehen gleichzeitig charakteristische Röntgenstrahlung und Bremsstrahlung. Die Bremsstrahlung bildet einen kontinuierlichen spektralen Untergrund. Die einzelnen Linien der charakteristischen Strahlung erscheinen darauf als hohe Erhebungen, sogenannte Peaks. Als Beispiel nennt der Artikel das Spektrum einer Kupferanode; bei einer Messung über die Bragg-Reflexion an einem LiF-Kristall kann der Ablenkwinkel auf der horizontalen Achse dargestellt werden.

Zur Untersuchung werden Detektoren eingesetzt, die entweder die Energie oder die Wellenlänge der Röntgenquanten bestimmen. Aus den charakteristischen Linien lässt sich qualitativ ermitteln, welche Elemente eine Probe enthält. Qualitativ bedeutet hier, dass die vorhandenen Elemente identifiziert werden. Mit einer ZAF-Korrektur ist zusätzlich eine quantitative Analyse möglich, also die Bestimmung der jeweiligen Mengenanteile.

Dieses Messprinzip wird bei der Röntgenfluoreszenzanalyse sowie bei der energiedispersiven Röntgenspektroskopie, abgekürzt EDX oder EDS, und der wellenlängendispersiven Röntgenspektroskopie, abgekürzt WDX oder WDS, verwendet.