De inre elektronorbitaler har bindningsenergier som bestäms av atomkärnans laddning Z. Bindningsenergierna följer Moseley's lag: de är ungefär proportionella mot Z². Det stämmer bäst för det innersta skalet K, röntgenbetäckningen för 1s-orbitalen.
Det nästa skalet är L-skalet. I atomer finns det stora skillnader in bindningsenergi mellan 2s- och 2p-orbitaler. Eftersom s-orbitaler har högre sannolikhetstäthet på kärnan, har de högre bindningsenergi än p-elektronerna, som skärmas av de andra elektronerna. Dessutom uppstår vid tyngre kärnor en allt större skillnad i bindningsenergi mellan 2p1/2 och 2p3/2-orbitalen på grund av relativistiska effekter vid starkare kärnladdning. Därför finns det tre L-nivåer: LI, LII och LIII.
På samma sätt finns det fem nivåer i M-skalet: spin-ban-koppling ger två 3p-orbitaler och två 3d-orbitalerna. Eftersom 3s-orbitalen inte har banmoment, finns det bara en 3s-nivå.
Man kan studera trenderna på till exempel denne tabell av bindningsenergier.
Ni har redan gjort gammaspektroskopi med hjälp av GDM-detektorerna. Där absorberas gammafotoner i ett NaI-kristall, och det ger upphov till synligt ljus. Ett fotomultiplikatorrör mäter intensiteten av varje scintillation, och det är proportionell mot gammakvantens energi.
Vårt mätinstrument har en kyld liten Si-detektor. Här orsaker absorption av en röntgenfoton många elektron-hål-par, som ger en mätbar elektrisk puls. Den kan vara känslig för fotonenergier så låg som 1 keV, så att den kan detektera de flesta grundämnen.
Vi kalibrerar med 109Cd och med 57Co. Båda nuklider sönderfaller genom electron capture. Det betyder att kärnan tar en elektron från ett inre skal, oftast från 1s-orbitalen. Grundämnet har då förvandlats till sin granne i periodiska systemet med lägre atomnummer, i det här fallet Ag respektive Fe. Om 2p-elektroner fyller hålet i 1s-orbitalen, kan en K-α-foton sändas ut. Vi använder alltså Ag Kα och Fe Kα som energi-kalibrering.
Dessutom kan kärnan sända ut gamma-fotoner efter electron capture. De ligger ofta vid så höga energier att de går rakt igenom vår kiseldetektor. Men Co-57 ger gamma-fotoner vid 14,413 keV. Linjen är mycket smal, och den används i Mössbauer-spektroskopi för att mäta små förskjutningar av den här linje i järnföreningar genom dopplerförkjutning vid hastigheter av mm/sec. Här använder vi den här Mössbauerlinje bara som extra kalibreringspeak.
Man kan kolla kalibreringen med en källa som innhåller
americium-241. Toppen vid 60 keV är relativt svag, eftersom det mästa av så höga energier går tvärs igenom den tunna kiselplattan. Den är desto känsligare för lägre energier.
Topperna vid 60, 43, 33 och 26 keV är kärnövergångar. Topparna vid lägre energi är L-peakar av neptunium (Z=93), som uppstår vid α-sönderfall av americium. Peaken vid 13,95 keV är Np Lα1, den vid 17,75 är Np Lβ2. Ge beteckningar för de andra peakarna med hjälp av databasvärden. Använd IUPAC-notation. Jämför även dina uppmätta intensiteter med litteraturvärdena. Rita ett schema med övergångar mellan elektronernas energinivåer.
Vi använder nu α-partiklar från en källa med 370 kBq Am-241 för att slå ut elektroner ur inre skal i ett okänt prov. Dessa α-partiklar stoppas ganska nära provets yta, så att bara en liten del av röntgenfluorescens-fotonerna absorberas på väg till detektorn. Metoden kallas Particle-Induced X-ray Emission eller PIXE och utvecklades i Lund. Tekniken (med samma detektor som vi har) har använts för att undersöka mineraler på Mars.
Lägg nu ett prov framför detektrorn som du vill veta vilka grundämnen det innehåller: mynt, mineral, osv. Bestrål det med α-strålning från americium-källan, och ta upp ett spektrum.
Vi använder bromsstrålningskontinuum från Leybolds röntgenapparat med kopparanod. Amptek-detektorn ställs i strålen från kollimatorn, och då ska man nog inte använda en större emissionsström än 0,01 mA i röntgenröret. Tunna
skikt av olika material absorberar delar av strålningen. Man kan studera K-absorptionskanten av Mo, In i folier från filtersatsen. Man kan också titta på transmissionen av prov med tunna skikt av fanmalda salter. Lämpliga prov kan vara K-kant (av till
exempel strontium) och på några L-kanter (av Hg, Pb och Bi). Visa att kant-energierna följer Moseley's lag.
Man kan uppskatta absorberns tjocklek genom att jämföra med
beräknad
transmission. (Engelsk micron betyder micrometer.)
