Raggi X Struttura elettronica dei livelli profondi Elementi di Struttura della Materia a.a. 2004-2005 Raggi X Struttura elettronica dei livelli profondi Emissione e assorbimento dei raggi X Luigi Sangaletti Università Cattolica

Tubi a raggi X Elementi di Struttura della Materia a.a. 2004-2005 Luigi Sangaletti Università Cattolica

Emissione di raggi X Elementi di Struttura della Materia a.a. 2004-2005 Emissione di raggi X Emissione di Bremsstrahlung. Teoria classica (cfr. Griffiths, Introduction to Electrodynamics). Velocità v e accelerazione a dell’elettrone collineari. Potenza irraggiata: Luigi Sangaletti Università Cattolica

Radiazione di Bremsstrahlung (frenamento) Elementi di Struttura della Materia a.a. 2004-2005 Radiazione di Bremsstrahlung (frenamento) Gli elettroni emessi dal catodo vengono accelerati verso l’anodo (eV0). Gli elettroni, passando vicino ai nuclei atomici dell’anodo vengono deflessi e rallentati. Emissione di radiazione e.m. nel continuo (elettrodinamica classica). Atomo+e-(veloce)->atomo+e-(lento) +hn Singolo frenamento: hmax=eV0=hc/lmin lmin Luigi Sangaletti Università Cattolica

Ka Kb elettrone IN  fotone OUT lmin Spettro caratteristico Elementi di Struttura della Materia a.a. 2004-2005 elettrone IN  fotone OUT Ka Max. energia dei raggi X = Max. energia elettrone Spettro caratteristico (dipende dal bersaglio) hmax=eV0=hc/lmin Spettro caratteristico Emissione discreta della serie K Bremsstrahlung Spettro continuo dovuto al frenamento degli elettroni Kb Bremsstrahlung lmin Luigi Sangaletti Università Cattolica

Spettri dei raggi X : Diagrammi di Moseley Elementi di Struttura della Materia a.a. 2004-2005 Spettri dei raggi X : Diagrammi di Moseley l (Å) Serie L La n = 3 a 2 Ka n = 2 a 1 Kb n = 3 a 1 Serie K Luigi Sangaletti Università Cattolica

Formula di Bohr per atomi idrogenoidi: Elementi di Struttura della Materia a.a. 2004-2005 Moseley scoprì che la radice quadrata della frequenza della riga Ka era proporzionale al numero atomico degli atomi del bersaglio: Formula di Bohr per atomi idrogenoidi: Ka => n1=1, n2=2; Z->Z-b con b≈1 (effetto di schermaggio del potenziale coulombiano del nucleo da parte dell’elettrone più interno). Luigi Sangaletti Università Cattolica

Ma da n = 4 a 3 n = 4 La da n = 3 a 2 n = 3 n = 2 Ka da n = 2 a 1 Elementi di Struttura della Materia a.a. 2004-2005 Ma da n = 4 a 3 n = 4 La da n = 3 a 2 n = 3 n = 2 Ka da n = 2 a 1 a da n+1 a n b da n+2 a n g da n+3 a n Luigi Sangaletti Università Cattolica

Elementi di Struttura della Materia a.a. 2004-2005 Luigi Sangaletti Università Cattolica

Struttura fine degli spettri dei raggi X Elementi di Struttura della Materia a.a. 2004-2005 Struttura fine degli spettri dei raggi X Luigi Sangaletti Università Cattolica

Assorbimento dei raggi X Elementi di Struttura della Materia a.a. 2004-2005 Assorbimento dei raggi X I raggi-X, nell’attraversare la materia, sono deviati e assorbiti come ogni radiazione elettromagnetica. Il coefficiente di assorbimento  si determina sperimentalmente usando l’equazione:   Fascio di raggi X monocromatici L’attenuazione dei raggi X è dovuta : A- alla diffusione (Thomson, Compton) A- all’assorbimento Luigi Sangaletti Università Cattolica

Elementi di Struttura della Materia a.a. 2004-2005 Attenuazione dei raggi X Sezione d’urto totale Luigi Sangaletti Università Cattolica

Misura della emissione di raggi X Elementi di Struttura della Materia a.a. 2004-2005 Misura della emissione di raggi X Trasmissione Fluorescenza Luigi Sangaletti Università Cattolica

Elementi di Struttura della Materia a.a. 2004-2005 Confronto tra spettri X di emissione e assorbimento (nell’esempio illustrato il platino). (a): il coefficiente di assor-bimento è dato in funzione della frequenza: lo spettro di assorbimento consiste essenzialmente di sovrap-posizioni di più frequenze limite di assorbimento. (b)-(e): spettro di emissione per diverse energie di eccitazione; in (b) tutte le serie sono eccitate, in (c) manca la serie K; in (d) anche la LI; in (e) anche la LII.  Luigi Sangaletti Università Cattolica

Elementi di Struttura della Materia a.a. 2004-2005 Andamento della probabilità di assorbimento in funzione dell’energia per assorbimento di raggi X Luigi Sangaletti Università Cattolica

Effetti di soglia nell’assorbimento Elementi di Struttura della Materia a.a. 2004-2005 Effetti di soglia nell’assorbimento Luigi Sangaletti Università Cattolica

Assorbimento di raggi X Elementi di Struttura della Materia a.a. 2004-2005 Assorbimento di raggi X Il fotone X è assorbito da un atomo, e un elettrone di un livello di core (K, L o M) viene portato verso il continuo degli stati di particella libera. L’atomo è lasciato in uno stato eccitato con un livello elettronico vuoto (core hole). L’elettrone emesso dall'ato-mo è chiamato fotoelettrone. Luigi Sangaletti Università Cattolica

Fluorescenza X : Canale radiativo Elementi di Struttura della Materia a.a. 2004-2005 Fluorescenza X : Canale radiativo Effetto Auger: canale non-radiativo Luigi Sangaletti Università Cattolica

Diseccitazione degli atomi Elementi di Struttura della Materia a.a. 2004-2005 Diseccitazione degli atomi Luigi Sangaletti Università Cattolica

Processo Auger (esempio: L1M2,3M2,3) Elementi di Struttura della Materia a.a. 2004-2005 Processo Auger (esempio: L1M2,3M2,3) Ekin Evac EF VB M2,3 3p M1 3s e- e- L2,3 2p L1 2s Sistema a singola particella. 2) Lacuna in livello di core; stato metastabile; elettrone in uscita per fotoemissione. 3) Elettrone da un livello superiore colma la lacuna trasferendo l’energia ad un altro elettrone che si ritrova proiettato sopre la EF 4) L’elettrone ha la possibilità di uscire dal solido se supera la Evac; si determina un sistema a due lacune con elettrone libero fuori dal solido. K 1s Stato fondamentale Stato iniziale: Singola buca Diseccitazione Auger Stato finale: Due buche Luigi Sangaletti Università Cattolica

Fotoemissione XPS su film sottile di Ni Elementi di Struttura della Materia a.a. 2004-2005 Fotoemissione XPS su film sottile di Ni O 1s Ni 2p Auger Ni Ni 3p Ni 3s Ni VB Energia cinetica (eV) hn=1486.7 eV Luigi Sangaletti Università Cattolica