Fluorescència de rajos X
La fluorescència de rajos X (XRF, sigla en anglés) consistix en emissió de rajos X secundaris (o fluorescents) característics d'un material que ha segut excitat en ser «bombardejat» en rajos X d'alta energia o rajos gamma. Este fenomen és molt utilisat para anàlisis elemental i anàlisis químic, particularment en l'investigació de metalés, vidres, ceràmics i materials de construcció, aixina com en la de geoquímica, ciència forense i arqueologia.
Principis físics
[editar | editar còdic]
En expondre un material a rajos X de llongituts d'ona curtes o a rajos gamma, poden ionizarse els àtoms que constituïxen el material. L'ionisació consistix en eyección d'un o més electrons des de l'àtom. Pot ocórrer si a este se li expon a radiació que la seua energia excedixca la del potencial de ionisació.
Tant els rajos X com els gamma poden ser suficientment energètics per a desprendre electrons fortament lligats en els orbitales interns de l'àtom. Tal removiment electrònic deixa en condició inestable a l'estructura electrònica de l'àtom, i els electrons de orbitales més elevats «cauen» cap al orbital més baix, que després ocupen els buits dels electrons interns despresos.
En esta caiguda, o transició, es genera energia per mig d'emissió d'un fotó. El valor de l'energia d'este corpúscul és igual a la diferència d'energia entre els dos orbitales involucrats. Per lo tant el material emet radiació l'energia de la qual és característica dels àtoms components del material. El terme fluorescència s'usa per a denominar el fenomen pel qual l'absorció de radiació d'una energia específica genera reemisión de radiació d'una energia diferent, generalment menor.
Radiació característica
[editar | editar còdic]Cada element posseïx orbitales electrònics d'energies característiques. En produir-se el removiment d'un electró d'una capa interior per un fotó energètic provinent d'una font primària de radiació, un electró d'una capa exterior es desplaça i ocupa el buit que s'havia format.
Existix una cantitat finita de variants d'esta transició, tal com es mostra en la figura 1. A les transicions principals se'ls han assignat noms:
- Transició L→K: Kα
- Transició M→K: Kβ
- Transició M→L: Lα, i aixina successivament.
Cada una d'estes transicions produïx un fotó fluorescent dotat d'una energia característica que és igual a la diferència d'energia entre els orbitales inicial i final. La llongitut d'ona d'esta radiació fluorescent es pot calcular a partir del postulat de Planck:
La radiació fluorescent es pot classificar per mig d'anàlisis de les energies dels fotons (anàlisis dispersivo d'energia) o per separació de les llongituts d'ona de la radiació (anàlisis dispersivo de llongitut d'ona).
Una volta ordenades, l'intensitat de cada radiació característica es relaciona directament en la cantitat de cada element químic del material de la mostra. Açò aporta la base d'una poderosa tècnica utilisada en química analítica. En la figura 2 es mostra la forma típica de les agudes llínees espectrals fluorescents obtingudes per mig del método dispersivo d'energia (vore llei de Moseley).
Radiació primària
[editar | editar còdic]Per a excitar als àtoms cal dispondre d'una font de radiació d'energia suficient per a eyectar electrons de les capes interiors dels àtoms. Per lo general s'utilisen generadors de rajos X convencionals, ya que és possible «ajustar» el seu producte segons la necessitat de cada anàlisis, i perque generalment la seua potència és major que la d'atres dispositius o tècniques.
No obstant, es poden utilisar fonts de rajos gamma que no requerixen suministrament elèctric tan elaborat com el dels dispositius de rajos X, la qual cosa permet el seu us en instruments portàtils menuts. Quan la font d'energia és un sincrotrón o els rajos X són enfocats per mig d'una òptica tal com la de policapilaridad, el fes de rajos X pot ser molt chicotet i molt intens.
Per lo tant és possible obtindre informació atòmica en l'interval de «submicrómetros»: inferior a micrómetros. S'utilisen generadors de rajos X en un ranc de diferència de potencial de 20 a 60 kV, la qual cosa permet excitar un ranc molt ampli d'àtoms. L'espectre continu consistix en radiació de frenat (Bremsstrahlung), produïda quan electrons d'alta energia que passen a través del tubo es desacceleren progressivament pel material del ànodo del tubo (el «blanc» o «mostra»). En la figura 3 es mostra un espectre típic.
Detecció
[editar | editar còdic]En anàlisis per dispersió en energia, la dispersió i la detecció es realisen en una sola operació. S'usen contadors proporcionals o varis tipos de detectorés d'estat sòlit: diodos PIN, Si(Li), Ge(Li) i detectors de deriva de silici (SDD). Compartixen el mateix principi de detecció: un fotó de rajos X incident ioniza quantiosos àtoms del detector. La cantitat de càrrega generada és proporcional a l'energia del fotó incident.
Després esta càrrega es colecta i el procés es repetix en el fotó següent. Òbviament, la velocitat del detector és crítica. Com tots els portadors de càrrega medits, per a quantificar correctament l'energia del fotó deu provindre del mateix fotó (s'usa discriminació de llongitut pique per a eliminar possibles events generats per dos fotons de rajos X d'incidència casi simultànea). Després es construïx l'espectre dividint la seua energia en compartimientos discrets i contant els polss registrats dins de cada compartimiento d'energia.
Els tipos de detectors d'espectroscòpia de rajos X per dispersió en energia varien en resolució, velocitat i mijos de refredat (en els detectors d'estat sòlit és crític un baix número de portadors de càrrega): els contadors proporcionals en resolucions de varis centenars d'eV (electronvoltios) funcionen en l'extrem baix de l'eixercite de l'espectre. Els detectors de diodos PIN operen en el ranc intermig. Els de Si(Li), Ge(Li) i SDD ocupen l'extrem alt de l'escala d'eixercite.
En anàlisis dispersivo de llongitut d'ona, la radiació de la sola llongitut d'ona generada pel monocromador pansa a l'interior d'un fotomultiplicador: detector similar a un contador Geiger, que conta fotons individuals a mida que ho travessen. El contador és una cambra que conté un gas ionizado per fotons de rajos X. Un electrodo central es carrega a (típicament) +1 700 V sobre les parets de la cambra conductora, i cada fotó provoca una cascada semblant a polsos de corrent a través del camp. La senyal s'amplifica i transforma dins d'un conte digital acumulatiu. Després estos contes es processen per a obtindre senyes analítiques.
Intensitat de rajos X
[editar | editar còdic]El procés de fluorescència és ineficiente, i la radiació secundària és molt més dèbil que el fes primari. En elements més llaugers l'energia d'esta radiació és relativament baixa (llongitut d'ona llarga), d'escàs poder de penetració. Si el fes travessa una miqueta d'aire s'atenua greument. Per estos motius, per a anàlisis d'alt eixercite, la trayectòria tubo–mostra–detector es manté baix alt buit: a una pressió residual aproximada de 10 Pa (pascalés).
Açò implica que la majoria de les parts operatives de l'instrument s'han d'ubicar en una cambra de buit gran. Els problemes de mantindre parts mòvils en buit i d'introducció i retir ràpits de la mostra sense pèrdua d'eixa propietat plantegen grans reptes de disseny del dispositiu. Per a aplicacions menys demandants o quan la mostra es danya pel buit (p. eix. una mostra volàtil), es pot substituir una cambra de rajos X d'agranada d'heli, encara que en alguna pèrdua de intensitat de Z baix (Z = número atómico).
Referències
[editar | editar còdic]- Este artícul conté una traducció derivada de «Fluorescencia de rayos X» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.