X-Işınları. Gelen X-ışınları. Geçen X-ışınları. Numan Akdoğan.

Transkript

1 X-Işınları 3. Ders: X-ışınlarının maddeyle etkileşmesi Gelen X-ışınları Saçılan X-ışınları (Esnek/Esnek olmayan) Soğurma (Fotoelektronlar)/ Fluorescence ışınları Geçen X-ışınları Numan Akdoğan Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü Fizik Bölümü Nanomanyetizma ve Spintronik Araştırma Merkezi (NASAM)

2 X-ışınlarının maddeyle etkileşmesi Gelen X-ışınları Saçılan X-ışınları (Esnek/Esnek olmayan) Soğurma (Fotoelektronlar)/ Fluorescence ışınları Geçen X-ışınları Fotoelektron (soğurma)/fluorescence ışınları, saçılma ve geçen ışınların oranı; X-ışınlarının enerjisine, malzemenin kalınlığına ve cinsine bağlıdır.

3 Soğurma (Fotoelektronlar) / Fluorescence ışınları Foto elektronlar (Foto elektrik etki) İlk gözleyen Heinrich Hertz (1887) Açıklayan Albert Einstein (1905) Nobel Fizik Ödülü (1921 ) Floresans ışınları (Karakteristik X-ışınları) Auger elektronları (Auger etkisi) Keşfedenler: Lise Meitner (1922) Pierre Victor Auger (1925) Şekiller:

4 Saçılma (Esnek / Esnek olmayan) Esnek saçılma (Elastic scattering): Gelen fotonun enerjisi korunuyor. Yalnızca yönü değişiyor. i. Thomson saçılması: Atomdaki tek bir elektrondan meydana gelen saçılma. J. J. Thomson (Elektronu keşfinden dolayı 1906 da Nobel Fizik Ödülü.) ii. Rayleigh saçılması: Atom veya moleküldeki bütün elektronlardan aynı şekilde (coherent) meydana gelen saçılma. Lord Rayleigh (Argon elementini keşfinden dolayı 1904 te Nobel Fizik Ödülü.) Esnek olmayan saçılma (Inelastic scattering): Gelen foton enerji kaybediyor. i. Compton saçılması (Incoherent scattering) A. H. Compton (1927 de Nobel Fizik Ödülü.)

5 Compton saçılması Çarpışmadan önce hareketsiz olan elektron, çarpışmadan sonra momentum kazanacaktır. Ayrıca gelen X-ışınının ilerleme yönünde ve dik yönde momentum korunacaktır: h h = cosθ + λ λ p e cosφ (4.8) 0 = h sin θ + pe sin φ λ (4.9)

6 Compton saçılması θ ve φ, sırasıyla, X-ışını ve elektron saçılma açılarıdır. Toplam enerjinin korunumu bize aşağıdaki ifadeyi verir: hc hc + mc = + ( pc + mc ) λ λ /2 e e e h λ = λ+ (1 cos θ) mc e (4.10) denklemlerini kullanarak, Compton saçılmasını tanımlayan aşağıdaki denklemi elde ederiz:

7 X-ışınlarının maddeyle etkileşmesi E enerjili bir X-ışınının, bir atomla etkileşmesi karmaşık genlikle (complex amplitude) tanımlanır: [ ] A( θ, E) = A ( θ) f ( E) + if ( E) (4.1) T 1 2 A T (θ): Thomson saçılması genliği θ: Saçılma açısı (gelen ve saçılan ışın arasındaki açı.) f 1 (E): Toplam saçılmayı tanımlayan atomik saçılma faktörü f 2 (E): X-ışınlarının soğurulmasını tanımlayan atomik saçılma faktörü

8 X-ışınlarının maddeyle etkileşmesi X-ışınının, maddeyle etkileşmesi karmaşık kırılma indisiyle (complex refractive index) tanımlanır: n = 1 δ iβ (4.2) δ: Saçılma indisi β: Soğurma indisi t kalınlığındaki bir malzemeden geçen X-ışınının genliği ve şiddeti aşağıdaki gibi verilir: 2 t i2 t A A0 exp( πβ πδ )exp( ) λ λ (4.3) 4πβt I = I0 exp( ) λ (4.4) A 0 ve I 0 : Gelen ışığın genliği ve şiddeti 2πδt/λ: Faz değişimi exp(-µt): Azalma 4πβ λ µ = Lineer soğurma katsayısı

9 X-ışınlarının maddeyle etkileşmesi I = I exp( µ t) (4.5) 0 Optik sabitler δ ve β, atomik saçılma faktörleriyle aşağıdaki denklemlerle ilişkilendirilir: δ = Kf1, β = Kf2 (4.6) K 2 re λ N Aρ = (4.7) 2π A r e : Klasik elektron çapı N A : Avagadro sayısı A: Atom ağırlığı ρ: Yoğunluk r e 2 1 e = = πε mc 0 e 15 m

10 X-ışını enerijisinin etkileşmelere etkisi Düşük enerjili X-ışınları (Soft X-rays): Enerjileri 2 kev den az. i. Esnek saçılma (coherent) 1% den az. ii. Esnek olmayan saçılma (incoherent) ihmal edilebilir. iii. Fotoelektrik soğurma baskın. Birçok malzemenin K, L 2, L 3 soğurma enerjileri bu enerji bölgesinde olduğu için XAS, XMCD, ve XRMS gibi teknikler için düşük enerjili X-ışınları kullanılır. Yüksek enerjili X-ışınları (Hard X-rays): Enerjileri 2 kev den yüksek. i. Saçılma çok daha önemli hale geliyor. Çünkü gelen X-ışınlarının enerjisi arttıkça; soğurma tesir kesiti, saçılma tesir kesitinden daha fazla azalıyor. Yüksek enerjili X-ışınlarının dalgaboyları atom boyutlarına yakın olduğu için, kırınım deneylerinde kullanılırlar.