פלואורסצנציית קרני רנטגן

ספקטרומטר פלואורסצנטי באמצעות קרני רנטגן של חברת פיליפס PW1606

פלואורסצנציית קרני רנטגן (XRF) היא פליטה של קרני רנטגן מחומר לאחר שעורר באמצעות קרני רנטגן באנרגיה גבוהה או קרני גמא. התופעה נמצאת בשימוש נרחב לניתוח יסודות כימיים וכימיה אנליטית, במיוחד באפיון של מתכות, זכוכית, קרמיקה וחומרי בניין, ולמחקר בתחומי הגאוכימיה, זיהוי פלילי, ארכאולוגיה וחפצי אמנות כגון ציורים .

עקרון פיזיקלי

איור 1: פיזיקה של קרינת רנטגן בייצוג סכמטי.

כאשר חומרים נחשפים לקרני רנטגן באורך גל קצר או לקרני גמא, עשוי להתבצע יינון של האטומים המרכיבים אותם. יינון הוא עירור או פליטה של אלקטרונים (אחד או יותר) מהאטום, ויכול להתרחש אם האטום נחשף לקרינה באנרגיה הגבוהה מאנרגיית היינון שלו. קרני רנטגן וגמא עשויים להיות אנרגטיים מספיק כדי לערר אלקטרונים מהמסלולים הפנימיים של האטום. ככלל, ככל שאורביטל הוא "גבוה" יותר, כך האנרגיה שלו גבוהה יותר. עירור אלקטרון הופך את המבנה האלקטרוני של האטום ללא יציב, ואלקטרונים במסלולים גבוהים יותר "נופלים" למסלול נמוך-אנרגיה כדי למלא את החור שנותר מאחור. בדעיכה זו, משתחררת אנרגיה בצורה של פוטון, אשר האנרגיה שלו שווה להפרש האנרגיה של שני האורביטלים (המסלולים) המעורבים בתהליך. לפיכך, החומר פולט קרינה, שיש לה אנרגיה אופיינית בהתאם למסלולים האלקטרוניים באטומים שעוררו. המונח "פלואורסצנציה" מוכל על תופעות בהן קליטת קרינה של אנרגיה ספציפית מביאה לפליטה מחודשת של קרינה של אנרגיה אחרת (בדרך כלל נמוכה יותר).

איור 2: ספקטרום XRF אופייני

פליטה רדיאטיבית אופיינית

לכל יסוד מסלולים אלקטרוניים בעלי אנרגיה אופיינית. בעקבות יינון אלקטרון באורביטל פנימי על ידי פוטון המסופק ממקור קרינה, אלקטרון מאורביטל חיצוני דועך למקום שהתפנה. ישנו מספר סופי של דרכים בהן הדבר עשוי לקרות, כפי שמוצג באיור 1. המעברים העיקריים מקבלים שמות: מעבר L → K נקרא באופן מסורתי K _α, מעבר M → K נקרא K _β, מעבר M → L נקרא L _α, וכן הלאה. כל אחד ממעברים אלה מניב פוטון פלואורסצנטי בעל אנרגיה אופיינית השווה להפרש האנרגיה במסלול הראשוני והאחרון. ניתן לחשב את אורך הגל של קרינה פלואורסצנטית זו מתוך חוק פלאנק:

$\lambda ={\frac {hc}{E}}$

ניתן לנתח את הקרינה הפלואורסצנטית על ידי מיון האנרגיות של הפוטונים, או על ידי הפרדת אורכי הגל של הקרינה. לאחר המיון, עוצמתה של כל קרינה אופיינית תקושר ישירות לכמות של כל יסוד בחומר. זהו הבסיס לטכניקה חיונית בכימיה אנליטית. איור 2 מציג את הצורה האופיינית של קווי הספקטרום הפלואורסצנטיים החדים המתקבלים (ראו חוק מוזלי).

מקורות קרינה

על מנת לעורר את האטומים נדרש מקור קרינה עם אנרגיה מספקת להוצאת אלקטרונים מאורביטלים פנימיים. נעשה שימוש במחוללי רנטגן באנרגיות עבודה של 20–60 קילו וולט, המאפשרים עירור של מגוון רחב של אטומים.

לחלופין, ניתן להשתמש במקורות קרני גמא ללא צורך באספקת חשמל משוכללת, מה שמאפשר שימוש קל יותר במכשירים קטנים וניידים.

כאשר מקור האנרגיה הוא סינכרוטרון, או שקרני הרנטגן ממוקדים אופטית, אלומת הרנטגן יכולה להיות קטנה ועוצמתית מאוד. כתוצאה מכך ניתן לקבל מידע אטומי ברזולוציה תת-מיקרונית.

אנליזה כימית

השימוש בקרן רנטגן לעירור קרינה פלואורסצנטית ממדגם הוצע לראשונה על ידי גלוקר ושרייבר בשנת 1928. כיום, השיטה משמשת כטכניקה אנליטית לא הרסנית, וככלי לבקרת תהליכים תעשייתי. באופן עקרוני, היסוד הקל ביותר שניתן לנתח הוא בריליום (Z = 4), אך בשל מגבלות אינסטרומנטליות ונצילות רנטגן נמוכה עבור יסודות קלים, לעיתים קשה לכמת יסודות קלים יותר מנתרן (Z = 11), אלא אם כן מתבצעים תיקוני רקע ותיקונים מקיפים בין-אלמנטים.

אנליזה כימית באמצעות מכשיר XRF מודרני נייד (Niton XL2)

שימושים

מכיוון שגודל הקרן (גם אם מקולמטת) גדול באופן יחסי, ומכיוון שנפח האינטראקציה של הקרן עם הדוגמה יחסית גדול, אנליזת פלואורסצנציית קרני רנטגן היא שיטה נפחית עבור דוגמאות בעלות ממדים מילימטריים ומעלה. בהמשך ובהתאם לכך, השיטה בעלת מהימנות גבוהה עבור דגמים גדולים מכיוון שנותנת מידע נפחי-סטטיסטי (הדגימה היא על פני שטח גדול).

אנליזת קרני רנטגן משמשת לאפיון כימי לצורך קבלת מידע ראשוני עבור הרכב היסודות של חומרים, בתעשיית המתכות והקרמיקות על מנת לאמוד את טיב החומר (וכן לצורך מחזור של מתכות), מחצבים של מתכות נדירות ומינרלים, ועוד.

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא פלואורסצנציית קרני רנטגן בוויקישיתוף