6.10  Röntgenstrahlung

Licht mit hoher Energie wird nach Wilhelm Conrad Röntgen in Deutschland Röntgenstrahlen benannt, in anderen Sprachen heissen die Strahlen nach Röntgen „X-Strahlen“. Eine Abschätzung der Frequenz erlaubt die Serienformel nach Rydberg und Ritz

(6.1)

wobei R_H = 10970955.31 m−1 die Rydbergkonstante ist. Bei Z = 20 ist die Frequenz und damit die Energie über Z² = 400 mal grösser.

Röntgenstrahlen werden üblicherweise mit Röntgenröhren (siehe Abbildung 6.10) oder in Ausnahmefällen mit hochenergetischen Lasern hergestellt. Durch Frequenzvervielfachung [SHA⁺91] um einen Faktor 100 oder mehr wird langwelliges Röntgenlicht mit Wellenlängen von 5 nm bis 10 nm erzeugt.

Röntgenfluoreszenz wird die gemischte Emission spezifischer und unspezifischer Röntgenstrahlung aus einer Probe bei deren Bestrahlung mit höherenergetischer Röntgenstrahlung genannt. Abbildung 6.10 zeigt, wie diese Röntgenfluoreszenz zur Identifikation von Elementen in einer Stärkeprobe verwendet werden kann. Die Details finden Sie in der Arbeit von Gunn [Gun57].

Abbildung 6.10 zeigt ein weiteres Fluoreszenzspektrum. Es wurde von Wehling und Mitarbeitern [WVM⁺99] zur Untersuchung von Pigmenten mitelalterlicher Manuskripte gemessen.

6.10.1  Röntgenbeugung

Abbildung 6.10.1 zeigt das beugende Gitter und dazu rechts das resultierende Beugungsmuster. Prinzipiell funktioniert die Röntgenbeugung analog zu diesem Experiment. Abbildung 6.10.1 zeigt das Beugungsmuster aus Abbildung 6.10.1 rotationsgemittelt um den Mittelpunkt des Beugungsmusters. Wenn viele identische Beugungsobjekte wie das textile Gewebe aus Abbildung 6.10.1 mit zufälliger Orientierung gleichzeitig untersucht werden, so erwartet man ein Beugungsbild nach Abbildung 6.10.1. Bei Kristallen ist dies die Pulvermethode nach Debye-Scherrer.

Die rechte Seite von Abbildung 6.10.1 zeigt schliesslich eine Überlagerung des Einzelbeugungsmusters mit dem rotationsgemittelten Muster. Klar ist die Übereinstimmung der hellen Ringe mit Beugungspunkten zu erkennen.

6.10.2  Bremsstrahlung, charakteristische Strahlung und Periodensystem

Wenn Materie mit Röntgenlicht beleuchtet wird, entsteht ein Kontinuum und charakteristische Linien. Das kontinuierliche Spektrum heisst Bremsspektrum.

Abbildung 6.10.2 zeigt am Beispiel der Cu-K_α1,2- und der Cu-K_β-Linien, wie ein Röntgenspektrum aussehen kann. Die maximal mögliche Energie der Röntgenquanten ist durch die Differenzspannung zwischen Anode und Kathode, der Beschleunigungsspannung U_B gegeben.

(6.2)

Abbildung 6.10.2 zeigt schematisch die inneren Elektronenniveaus. Die roten Linien stellen die Ionisierung ins Vakuum dar. Wenn zum Beispiel ein Elektron von der L-Schale in die K-Schale relaxiert, nennt man die emittierte Röntgenlinie eine K_α-Linie. Die durch die Hauptquantenzahl n bezeichneten Niveaus werden durch die Spin-Spin-Kopplung und die Spin-Bahn-Kopplung aufgespalten.

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Schale	n	ℓ	j	Bezeichnung
K	1	0		12S 1∕2
LI	2	0		22S 1∕2
LII	2	1		22P 1∕2
LIII	2	1		22P 3∕2
MI	3	0		32S 1∕2
MII	3	1		32P 1∕2
MII	3	1		32P 3∕2
MIV	3	2		32D 3∕2
MV	3	2		32D 5∕2

Bezeichnung der drehimpulsaufgespaltenen inneren Niveaus

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Tabelle 6.10.2 gibt eine Auflistung der Bezeichnungen. Diese folgen der Konvention n2S+1L _j (Siehe auch Abschnitt 6.8.2.1).

Abbildung 6.10.2 die radiale Elektronendichteverteilung von Wasserstoff und von einfach positiv geladenen Ionen. Je grösser die Kernladung ist, desto näher ist die K-Schale beim Kern.

Schliesslich zeigt Abbildung 6.10.2 die Ionisationszustände von Atomen aus dem Periodensystem. Mit Periodensystem wird die auf der Elektronenkonfiguration beruhende Anordnung der Elemente genannt.

Eine Tabelle aller Elektronenkonfigurationen, Ionisationsenergien und Schalen aller Elemente finden Sie im Anhang B.