Loading article…
特性X線は、原子の内殻の空席に外殻電子が入るときに放出され、各元素に「固有の」パターンでX線を放出します。特性X線は、1909年にチャールズ・グローバー・バークラによって発見され[ 1 ] 、彼は後に1917年にその発見によりノーベル物理学賞を受賞しました。
特性X線は、光子、電子、イオン（陽子など）といった高エネルギー粒子が元素に衝突したときに発生します。入射粒子が原子内の束縛電子（標的電子）に衝突すると、標的電子は原子の内殻から放出されます。電子が放出された後、原子には空いているエネルギー準位、つまりコアホールが残ります。その後、外殻電子が内殻に落ち込み、高エネルギー準位と低エネルギー準位のエネルギー差に相当するエネルギー準位を持つ量子化された光子を放出します。各元素は固有のエネルギー準位のセットを持っているため、高エネルギー準位から低エネルギー準位への遷移によって、各元素に固有の周波数を持つX線が発生します。[ 2 ]
しかし、エネルギーがX線として放出される代わりに、別の電子に伝達され、その電子が原子から放出される場合もあります。これはオージェ効果と呼ばれ、オージェ電子分光法において表面の元素組成を分析するために利用されます。
原子内に存在する様々な電子状態は、通常、化学や一般物理学で用いられる原子軌道表記法によって表されます。しかし、X線科学では、電子がより高いエネルギー準位からより低いエネルギー準位へ遷移する様子を表すために、特別な用語が用いられます。それは、伝統的なジークバーン表記法、あるいは簡略化されたX線表記法です。
ジークバーン表記では、電子がL殻からK殻に落下する際に放出されるX線放射はKアルファ（Kα）放射と呼ばれます。同様に、電子がM殻からK殻に落下する際に放出されるX線放射はKベータ（Kβ）放射と呼ばれます。[ 3 ]
Kα線は、電子が2番目の「L」殻（主量子数n =2）のp軌道から最も内側の「K」殻（主量子数n =1）の空孔に遷移し、そこに空孔を残すときに発生する。
K殻に最初に1つの空孔（したがって、1つの電子がすでに存在する）があり、遷移の最終状態ではL殻が完全に空ではないと仮定することで、この定義は原子内の最小電子数を3つ、つまりリチウム（またはリチウムのようなイオン）に制限します。[ 4 ] 2電子または1電子の原子の場合、それぞれHeアルファとライマンアルファについて言及します。より正式な定義では、L殻は最初に完全に占有されています。この場合、Kアルファを持つより軽い種はネオンです。[ 5 ]この選択により、KアルファはX線エネルギー範囲にしっかりと位置付けられます。
ライマンアルファと同様に、Kアルファ放射はKアルファ1（Kα1 ）とKアルファ2（Kα2 ）の2つのスペクトル線から構成されています。[ 6 ] Kアルファ1放射はKアルファ2放射よりもわずかにエネルギーが高く（したがって波長が短い）、すべての元素においてKアルファ1とKアルファ2の強度比は2:1に非常に近い値となります。[ 7 ]
銅のKα線は、実験室で使用されるX線回折（XRD）装置において、主要なX線源として頻繁に用いられる。
Kベータ線放出は、Kアルファ線放出と同様に、電子が第3殻または「M」殻（主量子数3）の3p軌道から最も内側の「K」殻（主量子数1）に遷移するときに発生します。
遷移エネルギーは、モーズリーの法則を用いて近似的に計算できる。例えば、ここで、Zは原子番号、Ryはリュードベリエネルギーである。このように計算された鉄（Z = 26）Kαのエネルギーは、6.375 keV で、精度は1%以内です。ただし、原子番号Zが大きい場合（例えば、X線回折実験でよく用いられる銅など）、誤差は急速に大きくなります。
さまざまな元素の Kα、Kβ、Lα、Lβ などの遷移エネルギーの正確な値は、原子データベースで見つけることができます。[ 5 ] [ 8 ]
特性X線は、それが放出された特定の元素を識別するために利用できます。この性質は、蛍光X線分光法、粒子誘起X線放出、 エネルギー分散型X線分光法、波長分散型X線分光法など、さまざまな技術で利用されています。
