P 169: Die Nachrücker sind es! (K)

 42.3 Die Entstehung der Emissionslinien

42.3.1 Beobachtungen

- Das gesamte Röntgenspektrum verändert sich, wenn die Beschleunigungsspannung der Elektronen verändert wird (siehe Post 168).  Nur die Lage der Emissionslinien bleibt. 

- Unterschiedliches Anodenmaterial liefert unterschiedliche Wellenlängen für Emissionslinien.

- Die Emissionslinien müssen somit durch innere Prozesse in der Elektronenhülle der Anoden-Atome entstehen.

Deshalb nennt man die Emissionslinien auch das charakteristisches Spektrum, weil es eben die Anode charakterisiert.

 

wikipedia common

Fragen:

In der obigen Zeichnung ist auf der x-Achse der Braggwinkel aufgetragen. 

a) In welcher Richtung wächst die Wellenlänge?

Begründe sowohl mit eienr Formel als auch anschaulich über Beugung.

b) Wo im obigen Spektrum muss man eine Wellenlänge bestimmen, um h zu berechnen?

c)n Die Rechnungen können wir nicht ausführen, da wir die Kristalleigenschaften nicht kennen. Welche Information brauchen wir denn noch, 

(i) um aus dem Drehwinkel die Wellenlänge auszurechnen?

(ii) um h auszurechnen?

42.3.2 Entstehungsprozess

Die von der Kathode in die Anode hineinprasselnde Elektronen werden nicht nur von den Atomkernen abgebremst. Sie können auch innere Elektronen auf freie Zustände mit hoher Quantenzahl anheben oder gar das Atom ionisieren.

In beiden Fällen entsteht ein freier Platz tief im Inneren der Elektronenhülle. Der wird von einem weiter außen befindlichen Elektron des Atoms sehr schnell besetzt. Dabei entsteht ein Röntgenphoton. Das macht die Emissionslinie, natürlich mit vielen anderen zusammen...

Da die Anoden aus Atomen mit hohen Ordnungszahlen bestehen, gibt es viele Protonen im Atomkern. Deshalb ist das elektrische Feld sehr stark, der Potenzialtopf, in dem die Elektronen gefangen sind, ist sehr tief.

Aus diesem Grund werden bei einem Wechsel von Elektronen von Außen nach Innen hohe Energiebeträge frei, es entsteht Röntgenstrahlung.

 

Sehr schön könnt ihr das an einer Simulation bei Leifi-Physik durchspielen (unbedingt machen!)::

 Röntgenemissionslinien selbst erzeugen

 

42.3.3 Bezeichnungen

Wird ein Elektron aus der K-Schale (Hauptquantenzahl n=1)durch ein in die Anode fliegendes Elektron herausgeschlagen, so werden die entstehenden Emissionslinien der "Nachrück-Elektronen" mit K bezeichnet.

Kα: Ein L-Elektron füllt die K-Lücke auf.

Kβ: Ein M - Elektron füllt die K-Lücke auf.

Kγ: Ein N-Elektron füllt die K-Lücke auf.

 

 

 

 

 

 Wird ursprünglich ein L-Elektron herausgeschlagen, so werden die Emissionslinien  mit L bezeichnet:

Lα: Ein M-Elektron füllt die L-Lücke auf.

(Achtung:; Nicht mit Lyα verwechseln (Wasserstoff Übergang 2 auf 1 oder 1 auf 2 im UV-Bereich)

Lβ: Ein N - Elektron füllt die L-Lücke auf.

 

leifiphysik

 Wir haben ja gelernt, dass die Niveaus durch den Elektronenspin noch unterteilt sind. Es gibt z.B. zwei Möglichkeiten aus n=2 (L) nach n= 1 zu kommen: einmal aus 2p1/2 und einmal aus 2p3/2. Somit wird man statt einer  Kα - Linie zwei dicht beieinander stehende Emissionslinien finden: Kα1 und   Kα2.

MTA-Röntgen: Kupferanode

 

Ich glaube aber nicht, dass so etwas im Abi geprüft wird. Aber wenn euch die Energieniveaus gegeben werden, müsst ihr die Wellenlängen der Röntgenlinien ausrechnen können und gegebenenfalls mit dem Spektrum vergleichen können (schlimmstenfalls stehen dort Drehwinkel des Kristalls, aus denen ihr dann ebenfalls Wellenlängen ausrechnen müsst).

Aufgabe:

Berechne die Wellenlängendifferenzen von Kα1 und   Kα2 für Kupfer.

 42.3.4 Auger-Effekt

Sehr häufig passiert auch Folgendes:

Ein Röntgenphoton, das in der Anode häufig durch Abbremsen von Elektronen entsteht, macht einen Photoeffekt, d.h. es schmeißt ein inneres Elektron raus. 

Das nennt man dann nicht Photoelektron, sondern nach dem Entdecker Auger-Elektron.

(Pierre Auger, 1899-1993, einer der CERN-Gründer)

Der freigewordene Platz entsteht auch wieder durch Nachrücken äußerer Elektronen und erneute Abgabe von Röntgenphotonen.

wikipedia

 

Die Auger-Elektronen fängt man auf und bestimmt ihre Energie. Damit kann man durch Bestrahlung mit Röntgenstrahlung das Material bestimmen, d.h. die Atomsorte bestimmen, wie bei der Spektralanalyse mit Licht.

(Nachtigall, ich hör dir trapsen...)

Jetzt könnt ihr übrigens die Abiaufgabe aus dem letzten Post vollständig lösen:

(c) Erkläre allgemein die Entstehung der Kα-Linie  im RÖNTGEN-Spektrum. (4 BE)