Radiografía característica

Los rayos X característicos se emiten cuando los electrones de la capa externa llenan una vacante en la capa interna de un átomo , liberando rayos X en un patrón que es "característico" de cada elemento. Los rayos X característicos fueron descubiertos por Charles Glover Barkla en 1909, ^[1] quien más tarde ganó el Premio Nobel de Física por su descubrimiento en 1917.

Los rayos X característicos se producen cuando un elemento es bombardeado con partículas de alta energía, que pueden ser fotones, electrones o iones (como protones). Cuando la partícula incidente golpea un electrón ligado (el electrón objetivo) en un átomo, el electrón objetivo es expulsado de la capa interna del átomo. Después de que el electrón ha sido expulsado, el átomo queda con un nivel de energía vacante , también conocido como agujero central . Los electrones de la capa externa luego caen en la capa interna, emitiendo fotones cuantizados con un nivel de energía equivalente a la diferencia de energía entre los estados superior e inferior. Cada elemento tiene un conjunto único de niveles de energía y, por lo tanto, la transición de niveles de energía superiores a inferiores produce rayos X con frecuencias que son características de cada elemento. ^[2]

Sin embargo, a veces, en lugar de liberar la energía en forma de rayos X, la energía puede transferirse a otro electrón, que luego es expulsado del átomo. Esto se denomina efecto Auger , que se utiliza en la espectroscopia electrónica Auger para analizar la composición elemental de las superficies.

Los diferentes estados de los electrones que existen en un átomo se describen habitualmente mediante la notación orbital atómica , tal y como se utiliza en química y física general. Sin embargo, la ciencia de los rayos X tiene una terminología especial para describir la transición de los electrones desde niveles de energía superiores a niveles de energía inferiores: la notación tradicional de Siegbahn o, alternativamente, la notación simplificada de rayos X.

En la notación de Siegbahn, cuando un electrón cae de la capa L a la capa K, la radiación de rayos X emitida se denomina emisión K-alfa (Kα). De manera similar, cuando un electrón cae de la capa M a la capa K, la radiación de rayos X emitida se denomina emisión K-beta (Kβ). ^[3]

Las líneas de emisión K-alfa resultan cuando un electrón pasa a una vacante en la capa "K" más interna ( número cuántico principal n = 1) desde un orbital p de la segunda capa "L" ( n = 2), dejando una vacante allí.

Al plantear que inicialmente en la capa K hay una sola vacante (y, por lo tanto, ya hay un solo electrón allí), así como que la capa L no está completamente vacía en el estado final de la transición, esta definición limita el número mínimo de electrones en el átomo a tres, es decir, al litio (o un ion similar al litio). ^[4] En el caso de átomos de dos o un electrón, se habla en cambio de He -alfa y Lyman-alfa , respectivamente. En una definición más formal, la capa L está inicialmente completamente ocupada. En este caso, la especie más ligera con K-alfa es el neón . ^[5] Esta elección también coloca a K-alfa firmemente en el rango de energía de rayos X.

De manera similar a la emisión Lyman-alfa, la emisión K-alfa se compone de dos líneas espectrales, K-alfa ₁ (Kα ₁ ) y K-alfa ₂ (Kα ₂ ). ^[6] La emisión K-alfa ₁ es ligeramente más alta en energía (y, por lo tanto, tiene una longitud de onda más baja) que la emisión K-alfa _2. Para todos los elementos, la relación de las intensidades de K-alfa ₁ y K-alfa ₂ es muy cercana a 2:1. ^[7]

Un ejemplo de líneas K-alfa es el Fe K-alfa emitido cuando los átomos de hierro giran en espiral hacia un agujero negro en el centro de una galaxia. ^[8] La línea K-alfa en el cobre se utiliza con frecuencia como fuente principal de radiación de rayos X en instrumentos de espectrometría de difracción de rayos X (XRD) de laboratorio.

Las emisiones K-beta, similares a las emisiones K-alfa, resultan cuando un electrón pasa a la capa más interna "K" (número cuántico principal 1) desde un orbital 3p de la tercera capa o "M" (con número cuántico principal 3).

Las energías de transición se pueden calcular de forma aproximada mediante la ley de Moseley . Por ejemplo, , donde Z es el número atómico y Ry es la energía de Rydberg . La energía del hierro ( Z = 26 ) K-alfa, calculada de esta manera, es${\displaystyle E_{K\alpha }={\frac {3}{4}}(Z-1)^{2}Ry\approx 10.2(Z-1)^{2}~\mathrm {eV} }$6,375  keV , precisión del 1 %. Sin embargo, para valores Z más altos , el error aumenta rápidamente.

Se pueden encontrar valores precisos de las energías de transición de Kα, Kβ, Lα, Lβ, etc. para diferentes elementos en las bases de datos atómicas. ^{[5] [9]}

Los rayos X característicos se pueden utilizar para identificar el elemento particular desde el que se emiten. Esta propiedad se utiliza en diversas técnicas, entre ellas la espectroscopia de fluorescencia de rayos X , la emisión de rayos X inducida por partículas , la espectroscopia de rayos X por dispersión de energía y la espectroscopia de rayos X por dispersión de longitud de onda .

• Línea espectral
• Captura de electrones
• Conversión interna