© Norbert Großberger 2015

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Durch Energiezufuhr von außen sind Atome in der Lage unter gewissen Umständen eine charakteristische Eigenstrahlung auszusenden. Zunächst soll hier auf die Möglichkeit eingegangen werden, Atome mit Röntgen- bzw. Gammastrahlung zur Aussendung einer charakteristischen Strahlung, anzuregen. Barkla entdeckte 1908 die Röntgenfluoreszenzstrahlung der Elemente nach Bestrahlung mit Röntgenstrahlen. Die Anregung ist jeweils dann möglich, wenn die anregende Strahlung kurzwelliger ist, als die für die jeweiligen Elemente charakteristische Fluoreszenzstrahlung. Moseley stellte schließlich 1913 in seiner Arbeit "The high frequency spectra of the elements" eine Gesetzmäßigkeit für diese charakteristische Strahlung unter Einbeziehung des Bohrschen Atommodells auf. Gewöhnlich wird in den Lehrbüchern für die Oberstufe das Moseley-Gesetz (hier für die K_α -Linie) in der Form   angegeben. Dabei wird in der bekannten Bohrschen Formel für die diskreten Energiezustände von Einelektronensystemen der Term Z 2  durch (Z-1) 2  ersetzt, da ein noch vorhandenes kernnahes Elektron beim Übergang eines Elektrons von einem höheren Energieniveau auf das K-Niveau, eine Kernladung abschirmt. Diese Formel stellt streng genommen nur eine Näherung dar, da die Abschirmzahl von der Kernladungszahl Z abhängig ist. Die von Element zu Element verschiedene Abschirmzahl, wird eher in dem folgenden Zusammenhang berücksichtigt: Die von Z abhängige Abschirmzahl liegt für Elemente mit kleinen Ordnungszahlen bis etwa Z = 34 nahe bei 1; danach ist der Einfluss der übrigen Elektronenhülle stärker zu berücksichtigen, was ab Z = 56 sogar zu negativen Werten für B_Ka  führt. Die Gamma-Spektroskopie in Verbindung mit der Vielkanalanalyse (VKA) bietet die Möglichkeit, Röntgenfluoreszenzenergien in einem gewissen Bereich darzustellen. Als Anregungsstrahlung kann mit zufrieden stellenden Ergebnissen die Gamma-Strahlung von Am-241 mit der Energie 59,5 keV verwendet werden. Mit dieser Anregungsenergie können Elemente von Ordnungszahl Z = 37 (Rubidium) bis etwa Z = 56 (Barium) zu K-Emission angeregt werden. Auch lässt sich die Gamma-Strahlung von 59,5 keV leicht mit einigen Millimetern Blei abschirmen, um so einen halbwegs gerichteten Strahl zu erzeugen.

Um ein auswertbares Fluoreszenzspektrum mittels VKA aufzunehmen, wird zunächst der Am-241 Strahlerstift direkt auf den Szintillationszähler gerichtet und die Hochspannung am Zähler so eingestellt, dass der 59,5 keV-Peak am rechten Rand des dargestellten Spektrums liegt. Danach posiotioniert man den Strahlerstift mit Abschirmung so, dass nur die Streustrahlung den Zählerkristall erreichen kann (siehe nebenstehende Abbildung). Eine Bleiplatte als Unterlage hat sich bewährt, da hiermit Überlagerungen durch Compton-Effekt verringert werden. Für die Aufnahme der Fluoreszenzstrahlung ist eine verlängerte Messdauer notwendig (mind. 300 s).

Das nachstehende Spektrum zeigt die K-Strahlung von Silber - roter Peak (hier wurde ein altes 5 DM-Stück bestrahlt). Durch die mangelhafte Auflösung des Szintillationszählers ist die Trennung von K-alpha und K-beta nicht möglich, somit kann lediglich eine mittlere K- Strahlung gemessenwerden, wobei die K-alpha Strahlung überwiegt. In der Literatur findet man fur Ag (Z=47) folgende Werte: WK_a = 22,1 keV, WK_b = 24,9 keV, mittlere Röntgen-K-Energie Wk = 22,6 keV. Eicht man das Spektrum, so kann der Wert der mittleren K-Energie hinreichend genau bestätigt werden.

Im folgenden Spektrum wurde Ceroxid mit Am-241 angeregt. Hier wird sichtbar, dass die K-alpha-Strahlung (Literaturwert 34,6 keV von der K-beta-Strahlung (Literaturwert 39,3 keV) überlagert wird - deutlich erkennbar an der “Ausbuchtung” an der höherenergetische Flanke des Peaks. Außerdem ist hier die L-Linie (Literaturwert ca. 5 keV) deutlich sichtbar.

Es wird hierbei eindrucksvoll deutlich, dass das wesentliche ordnende Prinzip im Periodensystem der Elemente die Kernladungszahl (Ordnungszahl) Z darstellt. Es gibt hierbei keine Abweichungen in Form von "Sprüngen", wie sie aus der Betrachtung der Massenzahlen als ordnendes Element vorkommen. Beispiel: Die Reihenfolge dreier benachbarter Elemente nach rel. Atommassen: Antimon (Sb): A = 121,75 Jod (J): A = 126,90 Tellur (T): A = 127,60 Die Ordnung auf Grund des Moseley-Gesetzes korrigiert diese Reihenfolge: Antimon (Sb): Z = 51 Tellur (T): Z = 52 Jod (J): Z = 53

Trägt man die K-alpha- Energiewerte in Abhängigkeit der Größe (Z - 1)²  ein, oder betrachtet besser die Linearisierung durch Darstellung der Abhängigkeit   ~ (Z - 1) , so erhält man folgende Darstellung:

Auswertung der Diagramme einiger ausgewählter Elemente: Element Z W_K-alpha (gemessen) W_K-alpha (Literatur) Strontium (Sr) 38 14,6 keV 14,4 keV Zirkon (Zr) 40 16,0 keV 16,0 keV Molybdän (Mo) 42 18,1 keV 17,8 keV Silber (Ag) 47 22,8 keV 22,6 keV Indium (In) 49 25,0 keV 24,7 keV Zinn (Sn) 50 26,0 keV 25,8 keV Tellur (Te) 52 28,0 keV 28,0 keV Jod (J) 53 29,4 keV 29,2 keV Barium (Ba) 56 32,2 keV 32,9 keV Cer (Ce) 58 35,0 keV 35,5 keV