ቀጣይ X-ሬይ እና ባህሪያዊ X-ሬይ(Continuous and Characteristic X Rays)

TL;DR

• bremsstrahlung(የብሬኪንግ ጨረር, braking radiation): እንደ ኤሌክትሮን ያሉ ቻርጅ ያላቸው ቅንጣቶች ከአቶም ኒውክሊየስ አጠገብ ሲያልፉ በኤሌክትሪክ ማስወገጃ ኃይል ምክንያት ሲፋጠኑ የሚወጣ ቀጣይ ስፔክትረም ያለው X-ሬይ
• ዝቅተኛው ርዝመት ሞገድ: $\lambda_\text{min} = \cfrac{hc}{E_\text{max}} = \cfrac{12400 \text{[Å}\cdot\text{eV]}}{V\text{[eV]}}$
• ባህሪያዊ X-ሬይ(characteristic X-ray): ገብቶ የመጣ ኤሌክትሮን ከውስጣዊ የአቶም ቅፍል ኤሌክትሮን ጋር በመጋጨት አቶሙን ሲያዮናይዝ ከውጫዊ ቅፍል ያለ ሌላ ኤሌክትሮን ወደ ውስጥ ባዶ ቦታ ሲሸጋገር የሚወጣ፣ በሁለት የኃይል ደረጃዎች ልዩነት መጠን ኃይል ያለው ያልቀጣጠለ ስፔክትረም ያለው X-ሬይ

ቅድመ እውቀቶች

• ንዑስ-አቶማዊ ቅንጣቶች እና የአቶም አካላት

የX-ሬይ ግኝት

ሮንትገን(Röntgen) የኤሌክትሮን ቢም ወደ ዒላማ ሲመታ እንደሚፈጠር X-ሬይ አግኝቷል። በተገኘበት ጊዜ X-ሬይ ኤሌክትሮማግኔቲክ ሞገድ መሆኑ አልታወቀም ነበር፤ ስለዚህ ማንነቱ ያልታወቀ ማለት በሚያመለክት X-ሬይ(X-ray) ተብሎ ተሰየመ፣ እንዲሁም በአግኚው ስም ተከትሎ ሮንትገን ጨረር(Röntgen radiation) ተብሎም ይጠራል።

ከላይ ያለው ምስል የተለመደ የX-ሬይ ቱቦ(X-ray tube) አወቃቀርን በቀላሉ ያሳያል። በX-ሬይ ቱቦው ውስጥ ከተንግስተን ፊላመንት የተሠራ ካቶድ እና ዒላማ የተጣበቀበት አኖድ በቫኪዩም ሁኔታ ተዘግተው ይገኛሉ። በሁለቱ ኤሌክትሮዶች መካከል አስርዎች ኪሎቮልት የሚደርስ ከፍተኛ ቮልቴጅ ሲደረግ ኤሌክትሮኖች ከካቶድ ይወጣሉ እና ወደ አኖድ ዒላማ ይመታሉ፤ ከዚያም X-ሬይ ይፈልቃል። ነገር ግን በዚህ ጊዜ ወደ X-ሬይ የሚደረገው የኃይል መቀየር ውጤታማነት በአብዛኛው ከ1% በታች ነው እና እጅግ ዝቅተኛ ነው፤ የቀረው 99% በላይ ኃይል ወደ ሙቀት ስለሚቀየር ለማቀዝቀዣ ተጨማሪ መሣሪያ ያስፈልጋል።

bremsstrahlung (የብሬኪንግ ጨረር, braking radiation)

እንደ ኤሌክትሮን ያሉ ቻርጅ ያላቸው ቅንጣቶች ከአቶም ኒውክሊየስ አጠገብ ሲያልፉ፣ በቅንጣቱ እና በኒውክሊየሱ መካከል በሚሠራው የኤሌክትሪክ ማስወገጃ ኃይል ምክንያት መንገዳቸው በድንገት ይጠማዘዛል እና ይዘገያሉ፤ በዚህም ጊዜ ኃይል በX-ሬይ መልክ ይወጣል። በዚህ ሂደት ያለው የኃይል ለውጥ ኳንታይዝድ አይደለም፣ ስለዚህ የሚወጣው X-ሬይ ቀጣይ ስፔክትረም ያለው ሲሆን፣ ይህንን bremsstrahlung ወይም የብሬኪንግ ጨረር(braking radiation) ብለን እንጠራዋለን።

ነገር ግን፣ በbremsstrahlung የሚወጣው የX-ሬይ ፎቶን የሚይዘው ኃይል በግልጽ ሁኔታ ከገባው ኤሌክትሮን የኪኔቲክ ኃይል ሊበልጥ አይችልም። ስለዚህ ለሚወጣው X-ሬይ ዝቅተኛ የሞገድ ርዝመት አለ፣ እሱም በቀላሉ በሚከተለው ስሌት ሊገኝ ይችላል።

\[\lambda_\text{min} = \frac{hc}{E}. \tag{1}\]

ፕላንክ ቋሚ $h$ እና የብርሃን ፍጥነት $c$ ቋሚዎች ስለሆኑ ይህ ዝቅተኛ የሞገድ ርዝመት የሚወሰነው በገባው ኤሌክትሮን ኃይል ብቻ ነው። $1\text{eV}$ ኃይል የሚመለከተው የሞገድ ርዝመት $\lambda$ በግምት $1.24 \mu\text{m}=12400\text{Å}$ ነው። ስለዚህ በX-ሬይ ቱቦ ላይ $V$ ቮልት ቮልቴጅ ሲደረግ የሚገኘው ዝቅተኛ የሞገድ ርዝመት $\lambda_\text{min}$ እንደሚከተለው ነው። በተግባር ይህን ፎርሙላ ብዙ ጊዜ ይጠቀማሉ።

\[\lambda_\text{min} \text{[Å]} = \frac{12400 \text{[Å}\cdot\text{eV]}}{V\text{[eV]}}. \label{eqn:lambda_min}\tag{2}\]

የሚቀጥለው ግራፍ በX-ሬይ ቱቦ ውስጥ የሚፈሰውን የኤሌክትሪክ ፍሰት መጠን ቋሚ እያደረገ ቮልቴጁን ሲለዋወጥ የሚታየውን ቀጣይ X-ሬይ ስፔክትረም ያሳያል። ቮልቴጁ ከፍ ከፍ ሲል ዝቅተኛው የሞገድ ርዝመት $\lambda_{\text{min}}$ እየአጠረ እንደሚሄድ እና አጠቃላይ የX-ሬይ ጸናት እንደሚጨምር ማረጋገጥ ይቻላል።

ባህሪያዊ X-ሬይ (characteristic X-ray)

X-ሬይ ቱቦ ላይ የተደረገው ቮልቴጅ በቂ መጠን ከፍ ካለ፣ የገባው ኤሌክትሮን ከዒላማ አቶም ውስጣዊ የኤሌክትሮን ቅፍል ያለ ኤሌክትሮን ጋር በመጋጨት አቶሙን ሊያዮናይዝ ይችላል። በዚህ ሁኔታ ከውጫዊ የኤሌክትሮን ቅፍል ያለ ኤሌክትሮን ኃይል በፍጥነት እያለቀቀ ወደ ውስጥ ቅፍሉ ባዶ ቦታ ይወርዳል፤ በዚያ ሂደትም ከሁለቱ የኃይል ደረጃዎች ልዩነት ጋር እኩል ኃይል ያለው X-ሬይ ፎቶን ይፈጠራል። በዚህ ሂደት የሚወጣው የX-ሬይ ስፔክትረም ያልቀጣጠለ ነው፣ በዒላማ አቶሙ ልዩ የኃይል ደረጃዎች ይወሰናል እና ከገባው የኤሌክትሮን ቢም ኃይል ወይም ጸናት ጋር ግንኙነት የለውም። ይህንን ባህሪያዊ X-ሬይ(characteristic X-ray) ብለን እንጠራዋለን።

የSiegbahn መግለጫ ሥርዓት

የምስል ምንጭ

• ፈጣሪ: የእንግሊዝኛ ዊኪፔዲያ ተጠቃሚ HenrikMidtiby
• ፈቃድ: CC BY-SA 3.0

በSiegbahn የመግለጫ ሥርዓት መሠረት፣ በK-ቅፍል ውስጥ ያለውን ባዶ ቦታ ከL-ቅፍል፣ M-ቅፍል፣ … የሚመጡ ኤሌክትሮኖች ሲሞሉ የሚወጣውን X-ሬይ እንደ ከላይ ባለው ምስል $K_\alpha$, $K_\beta$, … ብለው ይጠሩታል። ነገር ግን ከSiegbahn ሥርዓት በኋላ ዘመናዊ የአቶም ሞዴል ሲመጣ፣ በብዙ ኤሌክትሮን ያላቸው አቶሞች ውስጥ በቦር የአቶም ሞዴል እያንዳንዱ ቅፍል(ተመሳሳይ ዋና ኳንተም ቁጥር ያለው የኃይል ደረጃ) ውስጥ እንኳን በሌሎች ኳንተም ቁጥሮች መሠረት የኃይል ደረጃዎች እንደሚለያዩ ታወቀ። ስለዚህ ለእያንዳንዱ $K_\alpha$, $K_\beta$, … ደግሞ $K_{\alpha_1}$, $K_{\alpha_2}$, … ያሉ ንዑስ ምድቦች ተዘጋጁ።

ይህ ባህላዊ የመግለጫ ሥርዓት እስካሁን ድረስ በስፔክትሮስኮፒ መስክ ሰፊ መጠን በተግባር ላይ ነው። ነገር ግን ስሞቹ ሥርዓታዊ ስላልሆኑ እና አንዳንድ ጊዜ ግራ ስለሚያጋቡ፣ የአለም አቀፍ የንጹህና የተግባራዊ ኬሚስትሪ ህብረት(IUPAC) ከታች ያለውን ሌላ የመግለጫ ሥርዓት እንዲጠቀሙ ይመክራል።

የIUPAC መግለጫ ሥርዓት

በIUPAC የሚመከረው የአቶም ኦርቢታል እና የባህሪያዊ X-ሬይ መደበኛ መግለጫ እንደሚከተለው ነው። በመጀመሪያ፣ ለእያንዳንዱ የአቶም ኦርቢታል ከታች ባለው ሰንጠረዥ መሠረት ስም ይሰጣል።

$n$(ዋና ኳንተም ቁጥር)	$l$(አዚሙታል ኳንተም ቁጥር)	$s$(የስፒን ኳንተም ቁጥር)	$j$(የጠቅላላ አንግል ሞመንተም ኳንተም ቁጥር)	የአቶም ኦርቢታል	የX-ሬይ መግለጫ
$1$	$0$	$\pm1/2$	$1/2$	$1s_{1/2}$	$K_{(1)}$
$2$	$0$	$\pm1/2$	$1/2$	$2s_{1/2}$	$L_1$
$2$	$1$	$-1/2$	$1/2$	$2p_{1/2}$	$L_2$
$2$	$1$	$+1/2$	$3/2$	$2p_{3/2}$	$L_3$
$3$	$0$	$\pm1/2$	$1/2$	$3s_{1/2}$	$M_1$
$3$	$1$	$-1/2$	$1/2$	$3p_{1/2}$	$M_2$
$3$	$1$	$+1/2$	$3/2$	$3p_{3/2}$	$M_3$
$3$	$2$	$-1/2$	$3/2$	$3d_{3/2}$	$M_4$
$3$	$2$	$+1/2$	$5/2$	$3d_{5/2}$	$M_5$
$4$	$0$	$\pm1/2$	$1/2$	$4s_{1/2}$	$N_1$
$4$	$1$	$-1/2$	$1/2$	$4p_{1/2}$	$N_2$
$4$	$1$	$+1/2$	$3/2$	$4p_{3/2}$	$N_3$
$4$	$2$	$-1/2$	$3/2$	$4d_{3/2}$	$N_4$
$4$	$2$	$+1/2$	$5/2$	$4d_{5/2}$	$N_5$
$4$	$3$	$-1/2$	$5/2$	$4f_{5/2}$	$N_6$
$4$	$3$	$+1/2$	$7/2$	$4f_{7/2}$	$N_7$

ጠቅላላ የአንግል ሞመንተም ኳንተም ቁጥር $j=|l+s|$.

ከዚያም አቶሙን የሚያቋቁሙ ኤሌክትሮኖች ከአንድ የኃይል ደረጃ ወደ ከዚያ ዝቅ ያለ የኃይል ደረጃ ሲሸጋገሩ የሚወጣውን ባህሪያዊ X-ሬይ በሚከተለው ሕግ መሠረት ይጠሩታል።

\[\text{(የመጨረሻ የኃይል ደረጃ X-ሬይ መግለጫ)-(የመጀመሪያ የኃይል ደረጃ X-ሬይ መግለጫ)}\]

ለምሳሌ፣ በ$2p_{1/2}$ ኦርቢታል ያለ ኤሌክትሮን ወደ $1s_{1/2}$ ሲሸጋገር የሚወጣው ባህሪያዊ X-ሬይ $\text{K-L}_2$ ተብሎ ሊጠራ ይችላል።

የX-ሬይ ስፔክትረም

ከላይ ያለው በሮዲየም(Rh) ዒላማ ላይ በ60kV የተፋጠነ የኤሌክትሮን ቢም ሲመታ የሚወጣው የX-ሬይ ስፔክትረም ነው። በbremsstrahlung ምክንያት ለስላሳ እና ቀጣይ ቅርጽ ያለው ኩርባ ይታያል፣ እና በስሌት ($\ref{eqn:lambda_min}$) መሠረት በግምት $0.207\text{Å} = 20.7\text{pm} $ እና ከዚያ በላይ ለሆኑ የሞገድ ርዝመቶች ብቻ X-ሬይ እንደሚወጣ ማረጋገጥ ይቻላል። እንዲሁም በግራፉ መካከል መካከል የሚታዩት ሹል ጫፎች የሮዲየም አቶም ልዩ የK-ቅፍል X-ሬዮች ምክንያት ናቸው። ከዚህ ቀደም እንደተጠቀሰው፣ በዒላማ አቶሙ ዓይነት መሠረት ልዩ የባህሪያዊ X-ሬይ ስፔክትረም ስለሚኖር፣ በአንድ ዒላማ ላይ የኤሌክትሮን ቢም ሲመታ በሚገኘው የX-ሬይ ስፔክትረም ውስጥ ስፓይኮች የሚታዩባቸውን የሞገድ ርዝመቶች በመመርመር የዚያ ዒላማ የተሠራባቸውን ንጥረ ነገሮች ማወቅ ይቻላል።

$K_\alpha, K_\beta, \dots$ ብቻ ሳይሆን $L_\alpha, L_\beta, \dots$ ያሉ ከዚያ ዝቅ ያለ ኃይል ያላቸው X-ሬዮችም በእርግጥ ይወጣሉ። ነገር ግን እነሱ በጣም ዝቅ ያለ ኃይል ስላላቸው አብዛኛውን ጊዜ በX-ሬይ ቱቦው ሃውዚንግ(housing) ውስጥ ይዋጣሉ እና እስከ መለኪያው አይደርሱም።