| 蛍光X線(EDX)分析装置 |
やさしい蛍光エックス線の原理(2) ━ 原子の構造、X線と原子の相互作用、制動X線から蛍光X線まで[原子の構造] 物質の最小単位である原子の中では、正の電荷を帯びた陽子と中性子からなる原子核の周りを負の電荷を帯びた電子が回っています。一般的に原子では陽子と電子の数は等しく、陽子または電子数で周期表の原子番号をつけています。電子は原子核に近い順からK殻、L殻、M殻...という軌道上で運動しています。各軌道に入る最大の電子数は軌道の順番を原子核に近い順からnとすると2×(nの2乗)と決まっています。  [エネルギー準位、励起および電離] 「やさしい蛍光エックス線の原理(1)─X線(エックス線)とは」で光は電子も波と粒子の性質を持っていると述べましたが、量子力学では光のエネルギーは下図のようにとびとびの量(電子の運動エネルギーE =nhν、hはプランク定数、ν(ニュー)は振動数)をとることを学びます。これに関連して各軌道内の電子の運動エネルギーと位置エネルギーの和、すなわちエネルギー状態は取り得る値が決まっています。これをエネルギー準位とよびます。 K殻電子が電磁波や大きな運動エネルギーを持った荷電粒子に衝突されてエネルギーを与えられると、通常より高いエネルギー状態に移ります。このことを励起といいます。また、このエネルギーがある値以上になると電子は原子核の引力圏外に飛ばされされ、電子と陽イオンに分かれます。これを電離といいます。   [X線の制動放射(制動X線)] エネルギーの高い電子が物質中に入って原子に近づくと軌道電子との間に働く電気の力(クーロン力)により反発し軌道電子はエネルギーが与えられ、入射エネルギーは運動エネルギーの一部を失って方向が変わります。この結果、軌道電子は励起または電離され、入射エネルギーは方向を変えていくうちにエネルギーを失い止まります。電離された原子はまわりの自由電子を取り込み、また励起された原子は余ったエネルギーを放出し、最終的には熱という形で物質に吸収されます。ところが入射電子がごくまれに軌道電子をすり抜け、原子核の近くまで達することがあります。この時、入射電子と原子核の間にはプラスとマイナスの引力が働き、原子核は電子に比べて非常に重いので動かず、入射電子が伝播により減速され軌道を曲げられます。この際失ったエネルギーは電磁波の形で放出されます。この現象は、ちょうどブレーキを踏んだタイヤから出る煙のようだということで「制動放射」と呼ばれ、放出される電磁波を制動X線と呼びます。  制動X線の強度は入射光の波長に対して連続的に分布するため、下記のようなスペクトルが得られます。  [光電効果] X線が原子に入射するとX線の持つ光子エネルギーが原子に吸収され、軌道電子が励起されて電子が原子に束縛されているエネルギー値を越すと、原子核の引力圏外に飛び出す(結果入った光子は消滅)現象が起きます。 このことを光電効果と呼びます。(飛び出した電子の運動エネルギーはE = k0 - Eb となります。 (k0は入射したエックス線の光子エネルギー、Ebは電子の束縛エネルギー) 光電効果の結果、内側の原子核に空きが生じるため、エネルギー準位の高い外側の電子がエネルギー準位の低い内側の核に移動し、その差のエネルギーが光子として放出されることがあり、これを蛍光エックス線または特性エックス線と呼びます。この蛍光エックス線は元素で固有なものであり、蛍光エックス線を検出して元素を定性・定量するのが「蛍光X線分析」です。  参考文献─財団法人 電子科学研究所 「エックス線の基礎─エックス線作業主任者講習会テキスト」 エックス線関連よみもの(1)X線(エックス線)とは (2)原子の構造、X線と原子の相互作用、制動X線から蛍光X線まで (3)放射線防護と放射線管理区域 (4)シーベルト・ベクレルなど放射線に関する物理量の違いを知る (5)放射線測定機器 (6)放射線測定機器の選定、測定上の注意 (7)放射線の生体に与える影響 その他のよみもの |
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