Promieniowanie RTG i XRF

Analizatory Bowman XRF wykorzystują technologię fluorescencji rentgenowskiej do analizy grubości materiału i składu. Rentgen został odkryty przez niemieckiego fizyka Wilhelma Rontgena w 1895. Nazwał nieznane źródło światła, które spowodowało, że jego film ujawnił „X-ray” i opublikował swoje odkrycie z obrazem rentgenowskim ręki.

Dziś wiadomo, że promieniowanie rentgenowskie (X) jest formą promieniowania elektromagnetycznego, z częstotliwością między promieniowaniem ultrafioletowym, a promieniowaniem gamma. Większość promieni rentgenowskich ma długość fali od 0.01 do 10 nanometrów tak, jak pokazano na rysunku 1, o częstotliwości uszeregowanej od niskiej do wysokiej.

Rysunek 1

Wilhelm Conrad Roentgen otrzymał pierwszą nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1901.

Promieniowanie rentgenowskie można również zdefiniować jako cząstkę (foton) i opisać ją za pomocą jednostki energii eV. Jednostka energii i jednostka długości fali są wymienne. Dlatego promieniowanie rentgenowskie jest zarówno falą, jak i cząsteczką (tak jak i inne fale elektromagnetyczne). Jest to ważna koncepcja w zrozumieniu właściwości promieniowania rentgenowskiego.

Promieniowanie rentgenowskie może być generowane przez tzw. Bremsstrahlung, czyli ugięcie elektronu lub innej naładowanej cząstki. Wewnątrz lampy rentgenowskiej elektrony są przyspieszane do materiału docelowego. Po uderzeniu energia kinetyczna elektronów jest przenoszona na promieniowanie X i ciepło.

Warto zauważyć, że właściwości fali nie mogą wyjaśnić efektu fotoelektrycznego. Albert Einstein i Max Planck zaproponowali, aby światło nie zachowywało się jak fala, ale raczej jak dyskretne "pakiety" o określonej zawartości energetycznej. Wiele lat później amerykański chemik Gilbert Lewis nazwał pakiety świetlne fotonami. Jednakże ludzie pozostawali sceptyczni wobec teorii Einsteina aż do 1923, kiedy amerykański fizyk Arthur Compton odkrył rozpraszanie promieni rentgenowskich. Bombardował grafit promieniami X i odkrył, że promieniowanie rentgenowskie ma mniej energii. Zjawisko to nazwano rozpraszaniem Comptona, co tłumaczone jest teorią Einsteina-Plancka. Podczas zderzenia z elektronem cząstka promieniowania rentgenowskiego przenosi część swojego pędu do elektronu, w wyniku czego promieniowanie rentgenowskie jest odchylane w innym kierunku i emitowane z mniejszą energią i inną długością fali.

Wilhelm Roentgen
1845 - 1923

Podczas gdy teoria Einsteina-Plancka wyjaśnia rozkład Comptona, jest jeden problem. Aby mieć pęd, foton musi mieć masę, ponieważ definicja pędu w fizyce klasycznej jest iloczynem masy i prędkości. Ale foton nie ma masy. Odpowiedź przyszła od Einsteina, który postulował, że w sensie fundamentalnym energia i masa są równoważne i wymienne. Sformułował swoją koncepcję w słynnej relacji E = MC2. Wiele lat później Einstein otrzymał nagrodę fizyki Nobla za swoją teorię fotoelektryczną.

Fluorescencja rentgenowska związana jest z interakcją fotoelektryczną. Kiedy dochodzi do interakcji fotoelektrycznej, elektron zostaje wybity ze swojej orbity, tworząc wakat. Elektrony z orbit o wyższej energii mogą przesunąć się, aby wypełnić tą lukę (dziurę). Różnica energii między dwiema orbitami jest uwalniana w postaci promieni rentgenowskich, np. w postaci wtórnych promieni rentgenowskich. Fluorescencyjne promieniowanie rentgenowskie z każdego pierwiastka ma energię sygnaturową (ściśle określoną) i nazywane jest charakterystycznym promieniowaniem rentgenowskim.

Gilbert N. Lewis
1875 - 1946