Elementi di Struttura della Materia a.a. 2004-2005 Raggi X Struttura elettronica dei livelli profondi Emissione e assorbimento dei raggi X Luigi Sangaletti Università Cattolica Elementi di Struttura della Materia a.a. 2004-2005 Tubi a raggi X Luigi Sangaletti Università Cattolica a.a. 2004-2005 Elementi di Struttura della Materia Emissione di raggi X Emissione di Bremsstrahlung. Teoria classica (cfr. Griffiths, Introduction to Electrodynamics). Velocità v e accelerazione a dell’elettrone collineari. Potenza irraggiata: 2 2 1 2 qa 6 3 , 1 1 2 P 40 3 c Luigi Sangaletti Università Cattolica Elementi di Struttura della Materia a.a. 2004-2005 Radiazione di Bremsstrahlung (frenamento) Gli elettroni emessi dal catodo vengono accelerati verso l’anodo (eV0). Gli elettroni, passando vicino ai nuclei atomici dell’anodo vengono deflessi e rallentati. Emissione di radiazione e.m. nel continuo (elettrodinamica classica). Atomo+e-(veloce)->atomo+e-(lento) +hn Singolo frenamento: hnmax=eV0=hc/lmin lmin Luigi Sangaletti Università Cattolica a.a. 2004-2005 Elementi di Struttura della Materia elettrone IN fotone OUT Max. energia dei raggi X = Max. energia elettrone Ka Spettro caratteristico hnmax=eV0=hc/lmin (dipende dal bersaglio) Spettro caratteristico Emissione discreta della serie K Bremsstrahlung Spettro continuo dovuto al frenamento degli elettroni Luigi Sangaletti K Bremsstrahlung lmin Università Cattolica Elementi di Struttura della Materia a.a. 2004-2005 Spettri dei raggi X : Diagrammi di Moseley l (Å) Serie L La n=3a2 Ka n=2a1 Serie K K n=3a1 f Luigi Sangaletti Università Cattolica a.a. 2004-2005 Elementi di Struttura della Materia Moseley scoprì che la radice quadrata della frequenza della riga Ka era proporzionale al numero atomico degli atomi del bersaglio: n 0.248 1016 (Z 1 2 Formula di Bohr per atomi idrogenoidi: m0e 4 Z 2 1 1 n 3 2 2 8 0 h n1 n2 Ka => n1=1, n2=2; Z->Z-b con b≈1 (effetto di schermaggio del potenziale coulombiano del nucleo da parte dell’elettrone più interno). m 0e 4 1 1 2 n ( Z b 8 0 h 3 12 22 Luigi Sangaletti 3m e 4 1 2 0 n 4 3 (Z b 32 0 h Università Cattolica a.a. 2004-2005 Elementi di Struttura della Materia Ma da n = 4 a 3 La da n = 3 a 2 n=4 n=3 n=2 Ka da n = 2 a 1 a da n+1 a n da n+2 a n da n+3 a n Luigi Sangaletti Università Cattolica Elementi di Struttura della Materia Luigi Sangaletti a.a. 2004-2005 Università Cattolica Elementi di Struttura della Materia a.a. 2004-2005 Struttura fine degli spettri dei raggi X Luigi Sangaletti Università Cattolica Elementi di Struttura della Materia a.a. 2004-2005 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: Fascio di raggi X monocromatici L’attenuazione dei raggi X è dovuta : A- alla diffusione (Thomson, Compton) A- all’assorbimento Luigi Sangaletti Università Cattolica Elementi di Struttura della Materia a.a. 2004-2005 Attenuazione dei raggi X Sezione d’urto totale Luigi Sangaletti Università Cattolica a.a. 2004-2005 Elementi di Struttura della Materia Misura della emissione di raggi X Trasmissione Fluorescenza Luigi Sangaletti Università Cattolica Elementi di Struttura della Materia a.a. 2004-2005 Confronto tra spettri X di emissione e assorbimento (nell’esempio illustrato il platino). (a): il coefficiente di assorbimento è dato in funzione della frequenza: lo spettro di assorbimento consiste essenzialmente di sovrapposizioni di più frequenze limite di assorbimento. (b)-(e): spettro di emissione per diverse energie di eccitazione; in (b) tutte le serie sono eccitate, in (c) manca la serie K; in (d) anche la LI; in (e) anche la LII. Luigi Sangaletti Università Cattolica Elementi di Struttura della Materia a.a. 2004-2005 h l p Andamento della probabilità di assorbimento in funzione dell’energia per assorbimento di raggi X Luigi Sangaletti Università Cattolica Elementi di Struttura della Materia a.a. 2004-2005 Effetti di soglia nell’assorbimento Luigi Sangaletti Università Cattolica Elementi di Struttura della Materia a.a. 2004-2005 Assorbimento di raggi X Il 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'atomo è chiamato fotoelettrone. Luigi Sangaletti Università Cattolica a.a. 2004-2005 Elementi di Struttura della Materia Fluorescenza X : Effetto Auger: Canale radiativo canale non-radiativo Luigi Sangaletti Università Cattolica Elementi di Struttura della Materia a.a. 2004-2005 Diseccitazione degli atomi Luigi Sangaletti Università Cattolica a.a. 2004-2005 Elementi di Struttura della Materia Processo Auger (esempio: L1M2,3M2,3) Ekin Evac EF VB M2,3 3p M1 3s e- e- L2,3 2p L1 2s K 1s Stato Stato iniziale: Diseccitazione fondamentale Singola buca Auger Luigi Sangaletti Stato finale: Due buche Università Cattolica a.a. 2004-2005 Elementi di Struttura della Materia Fotoemissione XPS su film sottile di Ni Ni 2p Ni 3s Ni 3p Ni VB Auger Ni O 1s hn=1486.7 eV Energia cinetica (eV) Luigi Sangaletti Università Cattolica
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