Emissionslinien angeregter Atome

[Lützen1]

Hallo Markus,
Auch ich kenne die K-Linien als gut anzuregen - deshalb verstehe ich Deine Annahmen zum (kleinen) Teil.
Allerdings sind Ionisation und auch optische An-/Abregung Effekte der äußeren Schale(n?). Die Inneren sind durch die darüber liegenden abgeschirmt.

„Ich habe die Intensitätsverhältnisse zwischen K und L-Linien immer hauptsächlich der besseren Nachweiswahrscheinlichkeit des Detektors für niedrigere Photonenenergien zugeschrieben.“

Die Empfindlichkeit sollte keine Rolle spielen – beim EDX wird erfasst wie viel Impulse bei welcher Energie auftreffen.

Grüße Andreas

 

[etalon]

Hallo Andreas,

Die Empfindlichkeit sollte keine Rolle spielen – beim EDX wird erfasst wie viel Impulse bei welcher Energie auftreffen.

Doch, da die Wechselwirkungswahrscheinlichkeit der Photonen mit dem Detektormaterial (in diesem Fall Silizium) mit steigender Photonenenergie abnimmt.
Das heißt, dass die L- oder M-Linien bei schwereren Elementen auf Grund ihrer z.Teil deutlich niedrigeren Energien im Vergleich zu den K-Linien mit höherer Wahrscheinlichkeit im Detektor nachgewiesen werden, und damit auch idR eine bessere Zählstatistik liefern.

Grüße Markus

 

[P_E_T_E_R]

Da überrascht mich. Ich kenne eigentlich die K-Linien als meist als dominant. Wenn man für die Quantifizierung oder ein Mapping mal auf eine L ausweichen muss bekommt man oft schlechte Statistik oder verrauschte EDX-maps.

Hallo Andreas, ich habe keine Ahnung, was Du da misst - so wie Du es schilderst korrespondiert es jedenfalls nicht mit der bekannten Energieabhängigkeit vom Photoeffekt. Zur Erinnerung, hier noch mal die Situation für Blei aus der NIST database - Gruß, Peter

Credit: physics.nist.gov/PhysRefData/Xcom/html/xcom1.html

 

[P_E_T_E_R]

Andreas, vielleicht erklärst Du mal, was Du da misst. Wenn Du nämlich die Transmission der Photonen misst, hast Du mehr von dem K-Signal als von dem L-Signal, weil es weniger stark absorbiert wird. Ich vermute mal, Du meinst EDX bzw. XAS ? - Gruß, Peter

 

[etalon]

Hier noch mal der Link über die Eintrittswahrscheinlichkeit des Photoeffekts in den inneren Schalen aus dem Buch, welches ich anführte:

Elementare Teilchen

Der aktuelle Wissensstand der Kern- und Elementarteilchenphysik hat eine wechselvolle Entstehungsgeschichte, oft gekennzeichnet durch schockierend neue Begriffsbildungen, die sich bis heute auch den Physik-Studierenden nur unter Mühen erschließen. Dieses Buch nutzt die kontroversen und zugleich...

books.google.de

Ich hoffe, bei euch funktioniert er, bei mir auf dem Tablet wird immer nur angezeigt, dass es lädt, aber es kommt nix...

Grüße Markus

 

[etalon]

Hallo Peter,

Markus, schau doch mal in das bereits erwähnte Buch von Osterbrock & Ferland. Die Elektronen, die dann schließlich mit Protonen in der H-II Region rekombinieren, sind ja bereits durch vorher stattfindende multiple Bremsprozesse an den Protonen weitgehend "abgekühlt". Der Energiebedarf für den finalen Emissionsvorgang von Photonen ist dem gegenüber sehr gering.

Ja das habe ich zumindest anteilig gelesen. Ist wirklich sehr erhellend und beantwortet einige Fragen. Interessant ist, dass auch die schreiben, dass der Ausdruck H-II Regionen etwas unglücklich ist. Außerdem schreiben sie auch, dass bei H und He die Ionisation eigentlich ausschließlich über die UV-Strahlung der Sterne stattfindet, und die Anregung über Elektronen erst bei schwereren Elementen relevant wird. Hat mich auf jeden Fall etwas weiter gebracht!
Was die rekombinierenden Elektronen betrifft, so ist es ja erst mal (für meine Frage) egal, ob diese vorher durch elastische Stöße weitgehend abgekühlt sind oder nicht, sie besitzen trotzdem eine mehr oder weniger kontinuierliche Energieverteilung. Diese wird dann nach der Rekombination durch diskrete Strahlungsübergänge abgebaut. Dabei müssen doch dann nahe dem Grundzustand Restbeträge verbleiben, welche nicht durch Photonen abgebaut werden können. Verbleiben dann die Atome einfach in einem minimal angeregen Zustand, bis es zu einer neuen Ionisation kommt, oder wird der Restbetrag über andere Mechanismen abgebaut, z. B. Phononen (geht das in einem dünnen Gas überhaupt oder muss dazu eine Gitterbindung vorliegen?)?

Oder kann eine Rekombination nur stattfinden, wenn die Energie des rekombinierenden Elektron exakt mit der eines beliebig angeregten Zustandes des H-Atoms übereinstimmt?

Darüber habe ich in dem Buch jetzt nichts gefunden oder übersehen.

Aber insgesamt habe ich jetzt ein deutlicheres Bild des ganzen Geschehens.

Grüße Markus

 

[Lützen1]

Hallo Peter,

ich meine EDX wie am Anfang dieser Diskussion genannt „der energiedispersiven Röntgenanalyse (EDX)“. Die Probe wird mit Elektronen beschossen, Elektronen herausgeschlagen und beim Wiederauffüllen aus höheren Schalen Röntgenquanten emittiert.
Ich messe dann die Anzahl der Röntgenquanten pro „Energieintervall“ und sehe so welche Elemente in der Probe sind und auch welche Schalen wieder aufgefüllt wurden und auch „woher“. Die Peaks haben dann die Bezeichnung Kα, Lα (aufgefüllte Schale, woher kam das Elektron) und dazu evtl. noch ein Index für das Unterniveau(?*).

Hier ein Beispiel:
https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:EDX-Spektrum.svg

Gut zu sehen die große K-Linie.





Hallo Markus,
wie im oben von mir geposteten Bild zu sehen ist die L-Linie deutlich schwächer als die K-Linie. Die energieabhängige Quanteneffizienz des Detektors kann dies nicht erklären da der Abfall unter 1kev nur um die 10..15% betragen dürfte und erst oberhalb von 10kev wider abnimmt.
Ich denke an SEM – EDX, von welchen Techniken und Energien sprichst Du?

(?*) - Eigendlich wollte ich nur den genauen Begriff suchen, bin dann über die Aussage gestolpert:
„K-alpha is typically by far the strongest X-ray spectral line for an element bombarded with energy sufficient to cause maximally intense X-ray emission.“

Beim Grübeln kam mir noch die Erinnerung an Tabellen mit relativen Intensitäten der KLM-Linien, sowie eine Bemerkung eines Kollegen „Lbeta kommt bei Platin(?)“ nicht. Das scheint nicht pauschal so zu sein sondern Elementspezifisch.

Noch eine Bemerkung zu Deiner Eingangsfrage:
„Wie entstehen jetzt daraus diskrete Übergänge, welche sichtbares Licht in [OIII] oder Ha-Wellenlängen etc. aussendet? Über nachrückende Elektronen aus höheren Schalen jedenfalls eher nicht, denn dadurch wird charakteristische Röntgenstrahlung frei, welche man sich z.B. Bei der energiedispersiven Röntgenanalyse (EDX) zu nutze macht,...“
Doch in etwa so: „Elektromagnetische Wellen“ mit spez. Länge entstehen beim Herunterhüpfen in den Schalen bzw. den Unterniveaus (verdammt wie heißen die nun genau?). Je nach Energieunterschied ist das dann Röntgen (einige keV) oder visuelles Licht mit 2..3eV oder noch langwelliger.
Die überschüssige Energie freier Elektronen beim Einfang würde ich als Bremsstrahlung vermuten, im Bild oben als breiter >Untergrund< ohne eigentliche Peaks erkennbar.

Grüße
Andreas

 

[etalon]

Hallo Andreas,

wie im oben von mir geposteten Bild zu sehen ist die L-Linie deutlich schwächer als die K-Linie. Die energieabhängige Quanteneffizienz des Detektors kann dies nicht erklären da der Abfall unter 1kev nur um die 10..15% betragen dürfte und erst oberhalb von 10kev wider abnimmt.
Ich denke an SEM – EDX, von welchen Techniken und Energien sprichst Du?

Ja, ich spreche auch von der SEM EDX. Grundsätzlich ist die Entstehung der K Photonen häufiger (siehe meine Aussage oben und der verlinkte Artikel), und damit die Linien stärker, da gehe ich schon mit dir konform, allerdings nicht unbedingt im gemessenen Spektrum, da dieses ja auch noch u.a. mit der Detektoreffizienz gefaltet ist. Diese steigt im Niederenergetischen erst mal von Null bis zum Maximum steil an, um dann nach einem Maximum näherungsweise exponentiell zu höheren Energien hin abzufallen. Wo dabei das Maximum liegt, und wie die Steigungsverläufe der Kurve aussehen, hängt von der Bauart des Detektors ab. Bei den gebräuchlichen EDX Detektoren würde ich das Maximum zwischen 1 keV und 2 keV vermuten, danach fällt die Empfindlichkeit mit zunehmender Energie wieder ab.

Schau dir mal als Beispiel das Spektrum an:

Bei Fe hast du mehr Ka Impulse als La, allerdings dürfte die Detektoreffizienz bei der La Linie deutlich schlechter sein, als bei der Ka Linie. Oder noch besser zu sehen bei der As Ka und La Linie. Hier mag es aber auch mit eine Rolle spielen, dass die Beschleunigungsspannung (hier 20kV) für die As Ka Anregung schon etwas grenzwertig ist.

Vernachlässigen darf man die Detektoreffizienz also nicht, auch wenn es sicher nur ein Einfluss von vielen ist.

Je nach Energieunterschied ist das dann Röntgen (einige keV) oder visuelles Licht mit 2..3eV oder noch langwelliger.

Ja, das ist schon klar. Dabei ist es bei leichten Elementen bis O eher eine Emission im sichtbaren Spektralbereich (daher sind diese auch in der REM EDX nur schwer bis garnicht zu detektieren), als bei schweren Elementen. Da sind es dann nur noch die höher angeregten Zustände, welche theoretisch im sichtbaren Licht emittieren können, aber halt auch deutlich seltener angeregt werden...

Aber ich glaube, wir schweifen ab...

Grüße Markus

 

[P_E_T_E_R]

Hallo Andreas, vielen Dank für die Erklärung der Energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDX) Methode. Diese Technik dient ja zum Nachweis der elementaren Zusammensetzung von Proben, die dann anhand der charakteristischen K, L etc. Peaks und ihrer relativen Stärke identifiziert werden können.

Aus dem Umstand, dass die K-Peaks bei der EDX Messmethode prominenter als die L-Peaks sind, darf man aber nicht den Schluss ziehen, dass der Photoeffekt für die Elektronen in der K-Schale wahrscheinlicher ist. Ganz im Gegenteil, die Röntgen-Photonen im K-Peak werden hinter der Probe deshalb häufiger detektiert, weil der Photoeffekt für diese geringer ist, so dass sie im Material der Probe weniger stark absorbiert werden!

Man darf aus der relativen Stärke der K-peaks bei der EDX-Technik also nicht den Fehlschluss ziehen, dass die Elektronen in der inneren K-Schale beim Photoeffekt stärker zu Buche schlagen als die Elektronen in den äußeren Schalen. Es ist genau umgekehrt. Der Wirkungsquerschnitt für den Photoeffekt ist für die Elektronen in den äußeren Schalen erheblich größer, wie in Post #33 exemplarisch für das Element Blei dargestellt. Der Wirkungsquerschnitt und seine Energieabhängigkeit und nicht die Signalstärke von Peaks in der EDX-Technik bestimmen letztlich die hier thematisierten astrophysikalischen Prozesse.

Mit freundlichen Grüßen, Peter

 

[Lützen1]

Hallo Peter,

Markus sagt es ist der Detektor, du sagst es ist die Absorption in der Probe.
Gegen letzteres spricht das der Effekt auch bei TEM-EDX auftritt, bei den extrem dünnen TEM-Lamellen ist das ganze Volumen angeregt und auch strahlend. Dagegen spricht auch das ich Nickel Spektren gesehen habe bei denen die L-Linie intensiver war.


Auch habe ich in Erinnerung das beim EDX mit >1keV die Anregung in der tieferen Hülle erfolgt und wir keine deshalb chemische Info bekommen. Um die Valenz-zustände zu sehen muss man mit weniger Energie anregen - genau so wie das bei den Nebeln passiert. Also freuen wir uns auf klaren Himmel.

Grüße Andreas

 

[RoRo]

Zitat aus dem Link oben Energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDX)

Zur Emission charakteristischer Röntgenstrahlung in der Probe muss zunächst das Atom angeregt werden. Dieses kann durch den Beschuss mit Elektronen (z. B. im Rasterelektronenmikroskop) oder durch Bestrahlung mit Röntgenstrahlen (Röntgenfluoreszenz) erfolgen. Dabei wird ein Elektron aus einer der inneren Schalen herausgeschlagen. Ein derartiger Zustand ist instabil und die entstandene „Lücke“ wird sofort durch ein energiereicheres Elektron aus einem höheren Atomorbital aufgefüllt. Die Energiedifferenz wird in Form eines Röntgenquants frei.

hab das immer noch nicht Versanden
ein energiereicheres Elektron ersetzt das Elektron aus z.B. der K-Schale (und gibt dabei Energie ab) dachte die Elektronen auf der K Schale währen die energiereichsten?

Ganz im Gegenteil, die Röntgen-Photonen im K-Peak werden hinter der Probe deshalb häufiger detektiert, weil der Photoeffekt für diese geringer ist, so dass sie im Material der Probe weniger stark absorbiert werden!

also z.B. ein K Photon welches durch Bestrahlung im Fe erzeugt wurde kann beim Durchgang durch das Fe kein Elektron aus der L oder M Schale herausschlagen und wird deshalb nicht absorbiert?
und die KHäufigkeit vor der Probe?

 

[P_E_T_E_R]

Hallo Andreas, von den technischen Aspekten, die bei EDX oder auch TEM eine Rolle spielen können, habe ich zu wenig Ahnung, um das zu deuten. Die unterschiedlich starke Absorption in der Probe als Funktion der Energie der Photonen scheint mir immer noch der Schlüssel zum Verständnis zu sein, vielleicht im Zusammenspiel mit anderen instrumentellen Effekten. Für die astrophysikalischen Fragen, die Markus aufgeworfen hat, ist das eher ohne Belang.

Ich wünsche allen ebenfalls einen klaren Himmel und weiterhin viel Spaß an der Astronomie.

Peter

 

[etalon]

Hallo Andreas,

Markus sagt es ist der Detektor, du sagst es ist die Absorption in der Probe.
Gegen letzteres spricht das der Effekt auch bei TEM-EDX auftritt, bei den extrem dünnen TEM-Lamellen ist das ganze Volumen angeregt und auch strahlend. Dagegen spricht auch das ich Nickel Spektren gesehen habe bei denen die L-Linie intensiver war.

Der Markus sagte, dass es auch der Detektor ist. Natürlich hat Peter mit seiner Vermutung auch recht, dass es in der Probe selbst auch Wechselwirkungen als Funktion der Energie gibt. Das Photon weiß ja nicht, ob es gerade im Detektorvolumen ist und dort wechselwirkt, oder ob es ein Atom in der Probe ist. Die Wechselwirkungsprozesse dort sind die selben, in Abhängigkeit der Photonenenergie und der Kernladungszahl des Wechselwirkungspartners. Daher werden ja auch für eine semiquantitative/quantitative Messung die Proben poliert und in einem definierten Winkel zum Detektor ausgerichtet, um die Eigenabsorption der Probe zu minimieren (sog. Heel-Effekt, u.A. darum sind z.B. Auch die Annoden von Röntgenröhren abgeschrägt und um den Brennfleck geometrisch zu verkleinern und damit die Ortsauflösung in der Aufnahme zu erhöhen).

also z.B. ein K Photon welches durch Bestrahlung im Fe erzeugt wurde kann beim Durchgang durch das Fe kein Elektron aus der L oder M Schale herausschlagen und wird deshalb nicht absorbiert?
und die KHäufigkeit vor der Probe?

Nein, aber die Energie der Ka Quanten ist höher als die der anderen Übergänge, so dass die Wahrscheinlichkeit für den Photoeffekt sinkt, und dieser damit auch in geringerem Umfang eintritt.

ein energiereicheres Elektron ersetzt das Elektron aus z.B. der K-Schale (und gibt dabei Energie ab) dachte die Elektronen auf der K Schale währen die energiereichsten?

Nein, das ist nicht so. Da hatte ich auch meinen Denkfehler. Das ungebundene Elektron hat eine Ruhemasse von 511keV. Geht das freie Elektron nun in den gebundenen Zustand über, muss Bindungsenergie je nach Energieniveau aufgebracht werden. Dieses wird, sofern nicht von außen zugeführt (z. B. Durch ein Photon) aus der Teilchenmasse generiert und geht damit dieser verloren, also 511keV-Eb. Dabei werden im Grundzustand immer die Niveaus von innen nach außen besetzt. Dabei ist es egal, ob ein Elektron durch das zuführen von Energie in einen höher angeregten Zustand gehoben wird (welcher auch eine geringere Bindungsenergie erfordert), und dieses delta E beim zurückkehren in den Grundzustand wieder als Strahlung abgibt, oder ob es schon einen höherenergetischen Zustand besessen hat, und in eine freigewordene Position nachrückt. Auch hier wird das delta E als Strahlung frei.
Die niedrigste Energie hat das Elektron also auf der innersten Schale (K-Schale), da hier die Bindungsenergie am größten ist und 511keV-Eb den kleinsten Betrag ergibt.

Grüße Markus

 

[RoRo]

Hallo Markus

ah, es geht da um die Ruhemasse des Elektrons die sich je nach Schale ändert - so ist das gemeint!! - OK kapiert

Was mir aber noch nicht ganz klar ist warum der Photoeffekt bei höher energetischen Ka Quanten weniger Wahrscheinlich ist.
Hätte eher angenommen wenn die Energie des Ka Quantes hoch genug ist schlägt es ein Elektron leichter aus z.B. der L Schale heraus. Der ggf. vorhandene Energie überschuss des Ka Quantes wird dann in kinetische Energie des ausgeschlagenen Elektrons umgewandelt.

Gruß
RoRo

 

[P_E_T_E_R]

ah, es geht da um die Ruhemasse des Elektrons die sich je nach Schale ändert - so ist das gemeint!!

Nee, die Ruhmasse des Elektrons hängt nicht von der Schale ab, in der es steckt, sondern ist konstant, nämlich 0,511 MeV! Was Du wohl meinst, ist die Bindungsenergie, die ist für Elektronen in der niedrigsten K-Schale am höchsten, und deshalb ist es auch aufwändiger, diese aus dem Atom zu entfernen (*). Was zugleich Deine andere Frage beantwortet:

Was mir aber noch nicht ganz klar ist warum der Photoeffekt bei höher energetischen Ka Quanten weniger Wahrscheinlich ist.

(*) Das ist völlig analog zu dem bekannten Umstand, dass es energetisch aufwändiger ist, eine Rakete aus einem niedrigen Orbit auf eine Fluchtbahn zu bringen, als wenn sie schon auf einem hohen Orbit umläuft. Die Coulomb-Kraft zwischen Atomkern und den Elektronen folgt schließlich dem selben 1/r²-Gesetz wie die Gravitation.

 

[etalon]

Nee, die Ruhmasse des Elektrons hängt nicht von der Schale ab, in der es steckt, sondern ist konstant, nämlich 0,511 MeV!

Ich denke schon, dass das, zumindest indirekt so ist, da 511keV-Eb doch <511keV ist. Sprich, es liegt ein Massedefekt vor. Wieso sollte sich das in der Atomhülle anders verhalten, als im Kern? Dort ist auch die Masse des Atomkerns kleiner als die Summe der Masse seiner (ungebundenen) Einzelteile, und zwar um den Betrag der Bindungsenergie.

Grüße Markus

 

[etalon]

Hallo Roro(?),

Was mir aber noch nicht ganz klar ist warum der Photoeffekt bei höher energetischen Ka Quanten weniger Wahrscheinlich ist.
Hätte eher angenommen wenn die Energie des Ka Quantes hoch genug ist schlägt es ein Elektron leichter aus z.B. der L Schale heraus. Der ggf. vorhandene Energie überschuss des Ka Quantes wird dann in kinetische Energie des ausgeschlagenen Elektrons umgewandelt.

Der Wirkungsquerschnitt für den Photoeffekt ist abhängig von der Energie des Photons. Man kann sich das als Targetfläche vorstellen, welche das Elektron dem Photon gegenüber darstellt. Um so größer diese ist, desto wahrscheinlicher trifft das Photon darauf und geht eine Wechselwirkung, in diesem Fall den Photoeffekt, ein. Je größer die Photonenenergie wird, desto kleiner wird die Targetfläche und damit die Eintrittswahrscheinlichkeit des Photoeffekts.

Leider gibt es hier keinen Formeleditor, sonst hätte ich das mal eingetippt. Du kannst es auch in verschiedenen einschlägigen Büchern finden, unter anderem in dem von mir oben verlinkten...

Wenn der Photoeffekt mal eingetreten ist, dann stimmt das, was du schreibst, nämlich dass die Photonenenergie abzüglich der Bindungsenergie dem Photon als kinetische Energie zugeschlagen wird.

Daher ist der Photoeffekt auch nur für Photonen > Eb erlaubt.

Grüße Markus

 

[P_E_T_E_R]

Ich denke schon, dass das, zumindest indirekt so ist, da 511keV-Eb doch <511keV ist. Sprich, es liegt ein Massedefekt vor. Wieso sollte sich das in der Atomhülle anders verhalten, als im Kern? Dort ist auch die Masse des Atomkerns kleiner als die Summe der Masse seiner (ungebundenen) Einzelteile, und zwar um den Betrag der Bindungsenergie.

Der wesentliche Unterschied zwischen der Atomhülle und dem Kern ist allerdings, dass die Bindungsenergie der Elektronen vernachlässigbar klein gegenüber der Masse des Atoms ist. Der Massendefekt hat in der Atomhülle also keine praktische Bedeutung.

In Zahlen beim Wasserstoffatom:

E_b = 13,6 eV (Bindungsenergie)

m_p = 938,272 MeV

m_e = 0,511 MeV

m_p + m_e = 938,783 MeV = 9,38783 x 10^8 eV

E_b / (m_p + m_e) ~ 1,4 x 10^-8

 

[etalon]

Der wesentliche Unterschied zwischen der Atomhülle und dem Kern ist allerdings, dass die Bindungsenergie der Elektronen vernachlässigbar klein gegenüber der Masse des Atoms ist.

Ganz zweifellos, eben äquivalent der Massenverteilung im Atom zwischen Hülle und Kern.

Der Massendefekt hat in der Atomhülle also keine praktische Bedeutung.

Naja, für das Elektron und seinen Energiehaushalt schon, für das Atom natürlich nicht, aber das war ja auch nicht gefragt

Daher werden bei der Kernspaltung von Uran im Mittel ja auch 200 MeV frei und nicht nur eine Hand voll eV wie beim Elektron...

 

[RoRo]

Hallo Markus,

habe noch einige Erklärvideos dazu angesehen. Die Energienivaus der Schalen
werden (so wie ich das verstehe) über DeBorglie und der E-kin der Elektronen bestimmt.

Gruß
Roro

PS: muss das bei 21:41 im Ergebnis nicht L^2 heißen?