Raggi X Struttura elettronica dei livelli profondi Emissione e assorbimento dei raggi X Elementi di Struttura della Materia a.a. 2004-2005 Luigi Sangaletti

Raggi X

Struttura elettronica dei livelli profondiEmissione e assorbimento dei raggi X

Elementi di Struttura della Materia a.a. 2004-2005

Luigi Sangaletti Università Cattolica

Tubi a raggi X



Emissione di raggi X



263

22

0

11,3

2

4

1

c

aqP

Emissione di Bremsstrahlung. Teoria classica (cfr. Griffiths, Introduction to Electrodynamics).

Velocità v e accelerazione a dell’elettrone collineari. Potenza irraggiata:

Gli elettroni emessi dal catodo vengono accelerati verso l’anodo (eV0).

Gli elettroni, passando vicino ai nucleiatomici dell’anodo vengono deflessideflessie rallentatie rallentati.

Emissione di radiazione e.m. nelEmissione di radiazione e.m. nelcontinuocontinuo (elettrodinamica classica).

Atomo+e-(veloce)->atomo+e-(lento) +h

Singolo frenamento: hmax=eV0=hc/min

Radiazione di Bremsstrahlung (frenamento)Elementi di Struttura della Materia a.a. 2004-2005


min

min

Bremsstrahlung

Spettro caratteristico

(dipende dal bersaglio)

Max. energia dei raggi X = Max. energia elettrone

Spettro caratteristicoEmissione discretadella serie K

BremsstrahlungSpettro continuo dovuto alfrenamento degli elettroni

K

K

elettrone IN fotone OUT

hmax=eV0=hc/min



Å)

Serie L

Ln = 3 a 2

f

Kn = 2 a 1

Kn = 3 a 1

Spettri dei raggi X : Diagrammi di Moseley

Serie K



0.248 10 16 Z 1 2

Moseley scoprì che la radice quadrata della frequenza della riga K era proporzionale al numero atomico degli atomi del bersaglio:

Formula di Bohr per atomi idrogenoidi:

m0e

4Z 2

80h3

1

n12

1

n22

K => n1=1, n2=2; Z->Z-b con b≈1 (effetto di schermaggio del potenziale coulombiano del nucleo da parte dell’elettrone più interno).

m0e

4

80h3

1

12 1

22

Z b 2

3m0e

4

3204h3

1 2

Z b



K da n = 2 a 1

L da n = 3 a 2

n = 4

n = 3

n = 2

da n+1 a n da n+2 a n da n+3 a n

M da n = 4 a 3





Struttura fine degli spettri dei raggi X



Assorbimento dei raggi X

I raggi-X, nell’attraversare la materia, sono deviati e assorbiti come ogni

radiazione elettromagnetica. Il coefficiente di assorbimento si determina

sperimentalmente usando l’equazione:

L’attenuazione dei raggi X è dovuta :A- alla diffusione (Thomson, Compton)A- all’assorbimento



Fascio di raggi X monocromatici



Attenuazione dei raggi X

Sezione d’urto totale

Misura della emissione di raggi X



Fluorescenza

Trasmissione

Confronto tra spettri X di Confronto tra spettri X di emissione e assorbimento emissione e assorbimento (nell’esempio illustrato il (nell’esempio illustrato il platino). platino).

(a): il coefficiente di assor-(a): il coefficiente di assor-bimento è dato in funzione bimento è dato in funzione della frequenza: lo spettro della frequenza: lo spettro di assorbimento consiste di assorbimento consiste essenzialmente di sovrap-essenzialmente di sovrap-posizioni di più frequenze posizioni di più frequenze limite di assorbimento. limite di assorbimento.

(b)-(e): spettro di emissione (b)-(e): spettro di emissione per diverse energie di per diverse energie di eccitazione; in (b) tutte le eccitazione; in (b) tutte le serie sono eccitate, in (c) serie sono eccitate, in (c) manca la serie K; in (d) manca la serie K; in (d) anche la Lanche la LII; in (e) anche la ; in (e) anche la

LLIIII..



Andamento della probabilità di assorbimento in funzione dell’energia per assorbimento di raggi X



h

p

Effetti di soglia nell’assorbimento



Assorbimento di raggi XIl fotone X è assorbito da un

atomo, e un elettrone di un livello

di core (K, L o M) viene portato

verso il continuo degli stati di

particella libera. L’atomo è

lasciato in uno stato eccitato

con un livello elettronico vuoto

(core hole). L’elettrone emesso

dall'ato-mo è chiamato

fotoelettrone.



Fluorescenza X :

Canale radiativo

Effetto Auger:

canale non-radiativo



Diseccitazione degli atomi



Stato finale:Due buche

Stato iniziale:Singola buca

Statofondamentale

DiseccitazioneAuger

e- e-

K 1s

L1 2sL2,3 2p

M1 3sM2,3 3p

VB

Evac

EF

Ekin

Processo Auger (esempio: L1M2,3M2,3)Elementi di Struttura della Materia a.a. 2004-2005


Fotoemissione XPS su film sottile di Ni

O 1s

Ni 2p

Auger Ni

Ni 3pNi 3s

Ni VB

Energia cinetica (eV)

h=1486.7 eV



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