Røntgenspektroskopi er analysemetoder, der er baseret på detaljeret udmåling af energispektret af røntgenstråling, udsendt fra eller absorberet af det materiale, der ønskes undersøgt.
Røntgen, efter den tyske fysiker Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923) der opdagede røntgenstråling i 1895.
Spektroskopi, udmåling af et spektrum, fra latin spectrum 'fremtrædelse, skikkelse, syn', en afledning af verbet specere 'betragte'.
Røntgenspektroskopi bygger på, at ethvert grundstof i sin elektronstruktur har sine egne karakteristiske energiniveauer. Dette udnyttes til analyse af grundstofsammensætningen af en prøve. Først må prøvens atomer exciteres; dvs. atomets elektronstruktur må tilføres energi, så dets elektroner bringes fra stærkt til løst bundne tilstande – eller helt ud af atomet. Til at excitere atomet benyttes røntgen- eller partikelstråling med tilstrækkelig energi til at excitere selv de stærkest bundne tilstande i elektronstrukturen.
Den karakteristiske stråling udsendes, når en elektron falder fra en løsere til en stærkere bunden tilstand. Energiforskellen mellem de to tilstande udsendes typisk som elektromagnetisk stråling, og ved at måle dennes energi kan man identificere det grundstof, strålingen kom fra.
Ovenstående processer er mere detaljeret beskrevet herunder.
I ethvert atom er elektronerne ordnet i forskellige energiniveauer. Da elektronernes energi er kvantiseret, findes de kun i disse energiniveauer. De kan springe fra et niveau til et andet, men ikke antage en energi mellem niveauerne.
De stærkest bundne elektroner er de, der befinder sig tættest på atomkernen, og som derfor har den laveste energi. Deres energiniveau kaldes i røntgensammenhæng for K-skallen. Niveauet med næstlavest energi kaldes tilsvarende L-skallen, næste niveau M-skallen etc. Den stærkest bundne skal, K-skallen, kan rumme 2 elektroner. Den næste, løsere bundet skal, L-skallen, kan rumme 8 elektroner. M-skallen kan rumme 16 elektroner. Skaller endnu løsere bundet kan rumme endnu flere elektroner.
I denne artikels stærkt stiliserede tegning af et atom er atomkernen og de tre første elektronskaller vist. Energien af en elektron bundet i et atom er potentiel energi, der altid refererer til at frit valgt referencepunkt. I denne sammenhæng sættes nulpunktet til energien af en fri elektron, dvs. en elektron, der ikke er bundet i et atom. Det gør den potentielle energi af de bundne elektroner negativ.
Hvis fx energien af en inderskalselektron betegnes -EK, skal der altså tilføres en energi på EK for at frigøre denne elektron fra atomet.
Når et atom exciteres, dvs. en elektron bringes op i en løsere bundet tilstand, eller frigøres fra atomet, mangler der en elektron i den skal, den kom fra, og en elektron fra et højere energiniveau kan så falde ned på den tomme plads. Når en elektron fra L-skallen falder ned på den tomme plads i K-skallen, mister den potentiel energi, ganske som når en sten falder til jorden. Denne energi kan udsendes som elektromagnetisk stråling, der vil have energien EL-EK. Er energien høj nok, er der tale om røntgenstråling.
Stråling udsendt fra en elektron der ender i K-skallen kaldes K-stråling. Stråling udsendt fra en L til K-overgang kaldes Kα-stråling, mens stråling fra en M til K-overgang kaldes Kβ-stråling. Tilsvarende vil en M til L-overgang give anledning til udsendelse af Lα-stråling.
Da energiniveauerne er unikke for ethvert grundstof, kan man ved at excitere atomets elektroner, og derefter måle energien af den røntgenstråling, der udsendes, når elektronerne falder på plads igen, entydigt identificere, hvilket grundstof de kom fra. Der vil oftest være flere karakteristiske linjer fra hvert grundstof i prøven, og dette er grundstoffets unikke "fingeraftryk".
Med denne teknik udmåles energispektret af den røntgenstråling, der emitteres (udsendes) fra prøvens atomer som følge af, at de er blevet exciteret af ekstern røntgen- eller partikelstråling.
I denne teknik lader man et bredt spektrum af røntgenstråling passere prøven og analyserer strålingsspektret efter passagen. Ved de energier, der svarer til, at elektroner i prøven kan exciteres, vil absorptionen være stor, og derved får man information, som ligner den, man kan få med emissionsspektroskopi.
Absorptionsspektroskopi benyttes mest i det synlige område, fx ved at analysere lys fra solen. Dette lys skal passere solens ydre atmosfære og vil derfor fremvise mørke linjer ved de energier, hvor solens ydre atmosfære absorberer kraftigst, svarende til energiniveauerne i atmosfærens atomer; se spektrum.
Kommentarer
Kommentarer til artiklen bliver synlige for alle. Undlad at skrive følsomme oplysninger, for eksempel sundhedsoplysninger. Fagansvarlig eller redaktør svarer, når de kan.
Du skal være logget ind for at kommentere.