Röntgenfluoreszenz, Moseley-Gesetz
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 Kα -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 BKa 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 g-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).
Beispiele
Die hier vorgestellten Messungen wurden mit der VKA-Anordnung des CASSY-Lab2 von Leybold-Didactic aufgenommen. Es wurde jeweils die Originalstrahlung von Am-241 aufgenommen (W=59,5 keV), sowie die Fluoreszenzstrahlung der jeweiligen Elemente (roter Peak).
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:
WKa = 22,1 keV, WKb = 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 Ka-Strahlung (Literaturwert 34,6 keV von der
Kb-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.
Weitere Beispielpektren
Auswertung der Diagramme einiger ausgewählter Elemente:
Element
Z
WK-alpha (gemessen)
WK-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
Tabelle einiger Moseley-Abschirmkonstanten
Z
Element
Bk
Bka
25
Mn, Mangan
3,09
0,96
26
Fe, Eisen
3,15
0,96
27
Co, Kobalt
3,21
0,94
28
Ni, Nickel
3,26
0,95
29
Cu, Kupfer
3,32
0,94
30
Zn, Zink
3,37
0,92
31
Ga, Gallium
3,41
0,91
32
Ge, Germanium
3,45
0,89
33
As, Arsen
3,48
0,88
34
Se, Selen
3,51
0,86
35
Br, Brom
3,55
0,84
36
Kr, Krypton
3,57
0,82
37
Rb, Rubidium
3,59
0,80
38
Sr, Strontium
3,61
0,77
39
Y, Yttrium
3,63
0,76
40
Zr, Zirkonium
3,65
0,72
41
Nb, Niob
3,66
0,69
42
Mo, Molybdän
3,68
0,67
43
Tc, Technetium
3,69
0,62
44
Ru, Rubidium
3,70
0,59
45
Rh, Rhodium
3,71
0,55
46
Pd, Palladium
3,72
0,50
47
Ag, Silber
3,72
0,47
48
Cd, Cadmium
3,72
0,42
49
In, Indium
3,71
0,37
50
Sn, Zinn
7,70
0,32
51
Sb, Antimon
3,69
0,26
52
Te, Tellur
3,67
0,21
53
J, Jod
3,65
0,15
54
Xe, Xenon
3,63
0,09
55
Cs, Cäsium
3,60
0,03
56
Ba, Barium
3,57
−0,05
57
La, Lanthan
3,54
−0,12
58
Ce, Cer
3,51
−0,19
59
Pr, Praseodym
3,47
−0,27
