X-ışını ve XRF

Bowman XRF analizörleri, malzeme kalınlığı ve kompozisyon analizi için X-ışını floresan teknolojisini kullanır. X-ışını, Alman fizikçi Wilhelm Rontgen tarafından 1895'te keşfedildi. Filminin “X-ışını” nı açığa çıkarmasına neden olan bilinmeyen ışık kaynağını aradı ve keşfini elinin bir X ışını görüntüsüyle yayınladı.

Bugün, röntgen ışınının ultraviyole ve gama ışınları arasında bir frekans ile bir elektromanyetik radyasyon şekli olduğu bilinmektedir. X ışınlarının çoğu,0.01 ile 10 nanometreleri arasında, Şekil 1'de gösterildiği gibi, frekansı alçaktan yükseğe doğru düzenlenmiş bir dalga boyuna sahiptir.

Şekil 1

Wilhelm Conrad Roentgen,1901'de ilk Nobel Fizik Ödülü'nü aldı.

X ışını ayrıca bir parçacık (Foton) olarak tanımlanabilir ve bir enerji birimi eV kullanılarak tarif edilir. Enerji birimi ve dalga boyu birimi değiştirilebilir. Bu nedenle, X ışını hem bir dalga hem de bir parçacıktır. Bu, X-ışını özelliklerini anlamada önemli bir kavramdır.

X ışınları, bir elektronun veya bir başka yüklü partikülün sapması olan Bremsstrahlung tarafından üretilebilir. Bir X-ışını tüpünün içinde, elektronlar hedef malzemeye hızlandırılır. Darbenin ardından elektronların kinetik enerjisi X ışınlarına ve ısıya aktarılır.

Dalga özelliklerinin fotoelektrik etkiyi açıklayamadığını not etmek ilginçtir. Albert Einstein ve Max Planck, ışığın bir dalga gibi davranmadığını, aksine belirli bir enerji içeriğine sahip ayrık “paketler” gibi davrandıklarını önerdi. Yıllar sonra, Amerikalı kimyager Gilbert Lewis ışık paketlerinin fotonlarını seçti. Ancak Amerikalı fizikçi Arthur Compton, X-ışını saçılmasını keşfettiğinde insanlar 1923'e kadar Einstein'ın teorisi hakkında şüpheci kaldılar. Grafiti X-ışınları ile bombaladı ve saçılan X-ışınının daha az enerjiye sahip olduğunu buldu. Fenomene, Einstein-Planck teorisi tarafından açıklanan Compton saçılması adı verildi. Bir elektronla çarpışma sırasında, bir X ışını gibi bir parçacık momentumunun bir kısmını elektrona aktarır ve sonuç olarak X ışını farklı bir yönde saptırılır ve daha az enerji ve farklı bir dalga boyu ile yayılır.

Wilhelm Roentgen
1845 - 1923

Einstein-Planck teorisi Compton saçılımını açıklarken, bir problem var. Momentuma sahip olmak için, bir fotonun kütle olması gerekir, çünkü klasik fizikteki momentum tanımı kütle çarpı hızıdır. Fakat bir fotonun kütlesi yoktur. Cevap, temel anlamda enerjinin ve kütlenin eşdeğer ve değiştirilebilir olduğunu öne süren Einstein'dan geldi. Kavramını ünlü ilişkide E = MC2 olarak formüle etti. Yıllar sonra, Einstein fotoelektrik teorisi için Nobel fiziği ödülünü aldı.

X ışını floresansı fotoelektrik etkileşimle ilgilidir. Fotoelektrik etkileşim gerçekleştiğinde, bir boşluk oluşturarak bir yörüngeden bir elektron çalınır. Yüksek enerjili yörüngelere ait elektronlar bu boşluğu doldurmak için hareket edebilir. İki küre arasındaki enerji farkı, floresan X-ışınları, yani ikincil X-ışınları olarak serbest bırakılır. Her bir elementten floresan röntgen, bir imza enerjisine sahiptir ve karakteristik röntgen olarak adlandırılır.

Gilbert N. Lewis
1875 - 1946