BAZI ELEMENTLERİN L TABAKASINDAN M ve N TABAKASINA BOŞLUK GEÇİŞ İHTİMALLERİNİN ÖLÇÜLMESİ

Transkript

1 T.C. KAHRAMANMARAŞ SÜTÇÜ İMAM ÜNİVERSİTESİ FEN BİİMERİ ENSTİTÜSÜ FİZİK ANABİİM DAI BAZI EEMENTERİN TABAKASINDAN M ve N TABAKASINA BOŞUK GEÇİŞ İHTİMAERİNİN ÖÇÜMESİ FATMA NUR TUZUCA YÜKSEK İSANS KAHRAMANMARAŞ Ocak 2007

2 T.C. KAHRAMANMARAŞ SÜTÇÜ İMAM ÜNİVERSİTESİ FEN BİİMERİ ENSTİTÜSÜ FİZİK ANABİİM DAI BAZI EEMENTERİN TABAKASINDAN TEZ BAŞIĞI M ve N TABAKASINA BOŞUK GEÇİŞ İHTİMAERİNİN ÖÇÜMESİ FATMA NUR TUZUCA YÜKSEK İSANS Kod No : Bu Tez 18/01/2007 Tarhnde Aşağıdak Jür Üyeler Tarafından Oy Brlğ/Oy Çokluğu le Kabul Edlmştr. Doç.Dr. Ömer SÖĞÜT Prof.Dr. Adnan KÜÇÜKÖNDER Prof.Dr. Mehmet ERTUĞRU DANIŞMAN ÜYE ÜYE Yukarıdak mzaların adı geçen öğretm üyelerne at olduğunu onaylarım. Prof.Dr Özden GÖRÜCÜ Ensttü Müdürü Bu çalışma...tarafından desteklenmştr. Proje No:... Not: Bu tezde kullanılan özgün ve başka kaynaktan yapılan bldrşlern, çzelge, şekl ve fotoğrafların kaynak gösterlmeden kullanımı, 5846 sayılı Fkr ve Sanat Eserler Kanunundak hükümlere tabdr.

3 İÇİNDEKİER İÇİNDEKİER SAYFA İÇİNDEKİER... I ÖZET... III ABSTRACT... IV ÖNSÖZ... V ÇİZEGEER DİZİNİ... VI ŞEKİER DİZİNİ... VII 1. GİRİŞ X-Işınları X-ışınlarının Tanımı ve Özellkler X-Işınlarının Oluşumu Sürekl X-Işınları Karakterstk X-Işınları X-Işını Enerj Sevyeler X-Işınları Spektrumları Karakterstk X-Işınlarının Sayılması X-Işını Spektrometreler EDXRF Spektrometreler D Optkl EDXRF Spektrometreler D Optkl EDXRF Spektrometreler XRF Analz EDXRF' de Ntelk Analz Sayma Sstemler ve Sayaç Çeştler Yarı İletken Detektörler Yarı İletken S() Detektörünün Avantajları Kısıtlamalar [S() İçn] X-Işını Detektörlernn Değerlendrlmes Floresans Verm ve Coster-Krong Geçşler Tesr Kestler EDXRF le İlgl Ölçüm Hataları ÖNCEKİ ÇAIŞMAAR. MATERYA VE YÖNTEM Materyal Kullanılan Elementler Yöntem.. 6 I

4 İÇİNDEKİER.2.1. Alt Tabakasının Floresans Verm ( ω ) Alt Tabakasından M ve N Tabaka ve Alt Tabakalarına Boşluk Geçşler BUGUAR VE TARTIŞMA SONUÇ VE ÖNERİER 52 KAYNAKAR. 5 ÖZGEÇMİŞ II

5 ÖZET T.C. KAHRAMANMARAŞ SÜTÇÜ İMAM ÜNİVERSİTESİ FEN BİİMERİ ENSTİTÜSÜ FİZİK ANABİİM DAI YÜKSEK İSANS ÖZET BAZI EEMENTERİN ÖZET TABAKASINDAN M ve N TABAKASINA BOŞUK GEÇİŞ İHTİMAERİNİN ÖÇÜMESİ FATMA NUR TUZUCA DANIŞMAN: Doç.Dr. Ömer SÖĞÜT Yıl : 2007 Sayfa : 56 Jür : Doç.Dr. Ömer SÖĞÜT : Prof.Dr. Adnan KÜÇÜKÖNDER : Prof.Dr. Mehmet ERTUĞRU Bu çalışmada, tabakası floresans verm ve X-ışını şddet oranlarının deneysel değerler kullanılarak Hf, Ta, W, Re, Pt, Au, Hg, Tl, Pb, B, Th, U elementler çn tabakasından M ve N tabakasına boşluk geçş htmaller, η M ve η N, deneysel olarak ölçüldü. Numuneler Am-241 radyozotop halka kaynağından yayımlanan 59.5 kev enerjl gama-ısınları le uyarıldı ve numunelerden yayımlanan K ve X-ışınları rezülasyonu 5.9 kev de 155 ev olan S() detektörü le sayıldı. Elde edlen değerler dğer araştırmacıların teork ve deneysel değerler le karsılaştırıldı. Anahtar Kelmeler: X-ışını, K ve tabakası, floresans verm, boşluk geçş htmal. III

6 ABSTRACT T.C. UNIVERSITY OF KAHRAMANMARAŞ SÜTÇÜ İMAM INSTITUTE OF NATURA AND APPIED SCIENCES DEPARTMENT OF PHYSICS MSc THESIS ABSTRACT THE MEASUREMENT of VACANCY TRANSFER PROBABIITIES from to M and N SHES for SOME EEMENTS FATMA NUR TUZUCA SUPERVISOR: Asst. Prof.Dr Ömer SÖĞÜT Year: 2007 Pages: 56 Jury : Assoc. Prof. Dr. Ömer SÖĞÜT : Prof. Dr. Adnan KÜÇÜKÖNDER : Prof. Dr. Mehmet ERTUĞRU In ths study, the probabltes of vacancy transfer,η M and η N, from to M and N shells have measured for the elements of Hf, Ta, W, Re, Pt, Au, Hg, Tl, Pb, B, Th, U usng shell fluorescence yeld and X-ray ntensty ratos. These epermental values were obtaned from samples ected by 59.5 kev γ-rays, whch were emtted from a Am-241 radosotope source. Also K and X-rays emtted from samples were calculated by means of S() detector wth a resoluton of 155 ev at 5.9 kev. The results obtaned are compared wth the results of other studes. Key Words : X-Ray, K and shells, Fluorescence Yeld, Vacancy Transfer Probablty. IV

7 ÖNSÖZ ÖNSÖZ Ntel (Kaltatf) ve ncel (kanttatf) numune analzler çn kullanılan metotlardan bazıları; Atomk yayımlama spektrometres, Atomk soğurma spektrometres, XRF (X- Işını Floresans), X-ışını veya γ-ışını geçş teknkler ve Kütle spektrometresdr. Bu metotlar arasında, bu tez çalışmasında da kullanılan XRF teknğ özellkle de enerj ayırmalı XRF, dğer metotlara göre, brkaç mlgramdan daha az madde le ncel analz, ucuz malyet ve yüksek hassasyet gb brçok özellğnden dolayı blm ve teknolojde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu teknğn çevre krllğ, arkeoloj, tıp, kmya, endüstr, kalte kontrol, madenclk gb brçok alanda uygulamalarına rastlamak mümkündür. Bu çalışmada, tabakası floresans verm ve X-ışını şddet oranlarının deneysel değerler kullanılarak Hf, Ta, W, Re, Pt, Au, Hg, Tl, Pb, B, Th, U elementler çn tabakasından M ve N tabakasına boşluk geçş htmaller, η M ve η N, yarı deneysel olarak ölçüldü. Bu tez çalışmasının lk bölümünde X-ışınları, XRF, EDXRF ve EDXRF laboratuarları, radyasyon sayaçları ve sayma statstkler hakkında genel br blg verld. İknc bölümde se öncek çalışmalarla lgl yapılan kısa br lteratür taraması verld. Üçüncü ve dördüncü bölümlerde se tezle lgl materyal ve yöntemle lgl blgler ve yapılan hesaplamaların sonuçları verld. Bu tezn her aşamasında bana yol gösterp yardımcı olan, hocam sayın Doç.Dr. Ömer Söğüt e teşekkürlerm sunarım. Ayrıca çalışmalar esnasında bana yardımcı olan hocam sayın Prof.Dr. Adnan Küçükönder e, tezn araştırma ve yazım aşamasında blg ve fkrler le bana yardımcı olan B.Göker Durdu, Erdal Küçükönder ve Hamd Bütün e ve çalışmalar süresnce bana destek olan aleme sonsuz teşekkürler. OCAK 2007 KAHRAMANMARAŞ V

8 ÇİZEGEER DİZİNİ ÇİZEGEER DİZİNİ Tablo 1.1. X-Işını Dyagram Çzglernn Segbahn Göstermler 10 Tablo 4.1. ω floresans verm...9 Tablo 4.2. Boşluk Geçş İhtmaller (η M ) Tablo 4.. Boşluk Geçş İhtmaller (η N )... 4 Tablo 4.4.(a) den M alt kabuklarına boşluk geçş htmaller...45 Tablo 4.4.(b) den M alt kabuklarına boşluk geçş htmaller...45 Tablo 4.5.(a) den N ve O alt kabuklarına boşluk geçş htmaller...48 Tablo 4.5.(b) den N ve O alt kabuklarına boşluk geçş htmaller...49 VI

9 ŞEKİER DİZİNİ ŞEKİER DİZİNİ Şekl 1.1. X-ışınları Oluşumu. Şekl 1.2. Sürekl X-ışınları. 4 Şekl 1.. Karakterstk X-ışını oluşumu... 5 Şekl 1.4. Karakterstk X-ışınları..6 Şekl 1.5. X-Işını Enerj Sevyeler Dyagramı..9 Şekl 1.5. X-ışınları spektrumları. 11 Şekl 1.6. EDXRF ve WDXRF spektrometrelernn temel planları..1 Şekl 1.7. Enerj dağıtıcı spektrometrelerden, doğrudan uyarmalı ve 2D optkl(solda) ve doğrudan uyarmasız polarze olan optk (D)(sağda) Şekl 1.8. Doğrudan Uyarmalı ve 2D optğne sahp EDXRF spektrometres le ölçülmüş olan katı br numunenn tpk spektrumu..15 Şekl 1.9. Doğrudan uyarmasız ve D optkl enerj dağıtıcı spektrometre. 15 Şekl Doğrudan uyarmasız ve D optğne sahp EDXRF spektrometres le ölçülmüş olan katı br numunenn tpk spektrumu. 16 Şekl Bazı Detektörlern Ayırma Güçler...17 Şekl S() Detektörünün Şematk Gösterm...18 Şekl 1.1. Puls Yükseklğ Şekl İnce Br evha Üzerne Gelen Işın Demet...29 Şekl.1. Sayım sstem şeması..5 Şekl 4.1.(a) *ω Atom numarası grafğ Şekl 4.1.(b) **ω Atom numarası grafğ..40 Şekl 4.2.(a) Boşluk Geçş İhtmaller (η M )-Atom Numarası grafğ Şekl 4.2.(b) Boşluk Geçş İhtmaller (η M )-Atom Numarası grafğ Şekl 4..(a) Boşluk Geçş İhtmaller (η N )-Atom Numarası grafğ...44 Şekl 4..(b) Boşluk Geçş İhtmaller (η N )-Atom Numarası grafğ...44 Şekl 4.4.(a) Boşluk Geçş İhtmaller (η M1 )-Atom Numarası grafğ.46 Şekl 4.4.(b) Boşluk Geçş İhtmaller (η M4 )-Atom Numarası grafğ.46 Şekl 4.4.(c) Boşluk Geçş İhtmaller (η M5 )-Atom Numarası grafğ..47 Şekl 4.5.(a) Boşluk Geçş İhtmaller (η N1 )-Atom Numarası grafğ..50 Şekl 4.5.(b) Boşluk Geçş İhtmaller (η N4 )-Atom Numarası grafğ..50 Şekl 4.5.(c) Boşluk Geçş İhtmaller (η N5 )-Atom Numarası grafğ..51 Şekl 4.5.(d) Boşluk Geçş İhtmaller (η O1 )-Atom Numarası grafğ Şekl 4.5.(e) Boşluk Geçş İhtmaller (η O4,5 )-Atom Numarası grafğ VII

10 GİRİŞ 1. GİRİŞ X-ışını spektroskops, dğer optk spektroskopler gb elektromanyetk ışının yayımlanması, soğurulması, saçılma, floresans ve X ışını soğurma yöntemler peryodk çzelgedek atom numarası sodyumdan büyük bütün elementlern kalte ve mktar tayn çn yaygın olarak kullanılmaktadır. Özel donanımlarla atom numarası 5 10 arasındak elementler de tayn edleblmektedr. X ışınları, yüksek enerjl elektronların yavaşlamasıyla veya atomun ç orbtallerndek elektronların elektronk geçşleryle oluşturulan kısa dalga boylu elektromanyetk ışınlardır. X ışınlarının dalga boyu aralığı yaklaşık 10-5 Å (1 Å 0,1 nm m) arasındak bölgey kapsar. X-Işını Kırınımı (X-Ray Dffracton XRD ) spektroskops olarak blnen X-Işını kırınım spektroskops, smnden anlaşılacağı üzere X-ışını denlen Ultravyole ışından daha kuvvetl fakat gamma ışınından daha zayıf enerjl ışın kullanılarak yapılan analz temel alır. Çalışma prensb numuneye X-ışını gönderlerek kırılma ve dağılma verlernn toplaması olduğu söyleneblr. Krstal yapısına göre ışını farklı açılarda ve şddette kıran numuneler çok hassas bçmde analz edleblmektedr. X-Işını floresans yöntemler (XRF): Br X-ışını tüpünde numuney hedef alana yerleştrerek X-ışınları yayımlama (emsyon) spektrumunu elde etmek uygun gb görünmekle brlkte, bunun brçok materyale uygulanmasındak zorluklar nedenyle çok başvurulan br yöntem değldr. Bunun yerne, numunenn ışınlanması daha yaygın olarak X-ışınları tüpünden veya radyoaktf kaynaktan sağlanan X-ışını demetyle yapılır. Bu durumda brncl X-ışınları numunedek elementler tarafından soğrulurlar ve kend karakterstk X-ışını floresansını yayarlar. Bu şlem X-ışınları floresans veya yayım yöntem olarak adlandırılır. X-ışını floresansı (XRF), atom numarası oksjenden büyük (8) olan elementlern kalte analznde en çok kullanılan analtk yöntemlerden brdr (Araz, 2006). Enerj Dağılımlı X-Işını Floresans EDXRF yöntem brçok materyaln kmyasal bleşenlernn saptanması çn bast, doğru, ekonomk ve analtk br metottur. XRF teknğ zararsız ve güvenlr olması sebebyle çevre krllğ, arkeoloj, tıp, adl tıp, kozmetk, endüstr, kalte kontrol laboratuarları, madenclk, eczacılık, kmya, astronom vs. brçok alanda kullanılmaktadır. Genş br kullanım sahasının yanı sıra X-ışını floresans teknolojsnn br dğer avantajı da çok az veya hç denlecek kadar az numune hazırlığı gerektryor olmasıdır. Bu teknolojyle konsantrasyonlar eş zamanlı ve kolay br şeklde %100 e yakın br değerde ölçüleblr. Herhang br tabakadan başka br tabakaya boşluk geçşlernn deneysel olarak doğru ölçülmes X-ışını floresans tesr kestlernn ve floresans vermlernn doğru olarak tanımlanmasında çok öneml rol oynar. Çünkü br tabakadan başka br tabakaya boşluk geçşler lgl tabakaların floresans verm ve tesr kestlern öneml ölçüde değştrmektedr. Floresans verm ve tesr kestlernn deneysel olarak doğru ölçülmes aşağıdak olayların deneysel hesaplamalarında önemldr. Bunlar: a) Kütle azaltma katsayılarının hesaplanması, b) Tıbb araştırmalar ve kanser terap uygulamalarında, c) Radyasyonun zırhlanma edlmesnde, 1

11 GİRİŞ d) Dozmetrk hesaplamalarda, e) XRF nn elemental analzlernde, f) Endüstryel radyasyon uygulamalarında (yyecek ışınlama), g) Yüzey kmyası analznde ve brçok fzksel parametrelern test edlmesnde önemldr. Atomlardan çeştl yollarla sökülen ç tabaka elektronları, ışımalı (radatve) ve ışımasız (non-radatve) geçşler şeklnde ele alınablr. Burada, atomdan herhang br metotla -tabakasında meydana getrlmş olan boşlukların, karakterstk X-ışınları yayımlanarak doldurulması htmalyetne -tabakasına at floresans verm denr. Atomdan yayımlanan -tabakasına at karakterstk X-ışınları yne aynı atomun üst tabakalarında bulunan br elektronu sökerek boşluklar meydana getreblr. Bu olay ışımalı veya ışımasız (Auger) geçşler şeklnde sonuçlanablr. Her k tür bozunmada da atomun brnc ç tabakasında meydana gelen boşluklar kendsnden yüksek olan ç tabakalara veya br dış tabakaya transfer edlr. Bozulan tabakası boşlukları başına üretlen M ve daha üst tabaka boşluklarının sayısı η M ve bozunan M tabakası boşlukları başına üretlen karakterstk M X-ışınlarının sayısı ω M hakkındak blgler, kıyısı enerjs üzerndek br enerj le fotonlar tarafından uyarılarak radyoaktf bozunmayla yayımlanan M X-ışınlarının ölçülmesnde çok önemldr. Uyarma enerjsnn, kıyısından büyük olduğu durumlarda, üretlen M X-ışınlarının sayısının tahmn edleblmes çn ω M nn yanında, tabakasında oluşturulan br boşluğun M ve daha üst tabakalara geçme htmalyet olan η M ve η N nn de tam olarak blnmes gerekmektedr. Bu nedenle, ışımalı geçş htmalyet olan η M ve η N gerek nükleer gerekse atomk çalışmalarda büyük önem taşımaktadır (Söğüt, 2000). Bu çalışmada bazı elementler çn alt tabakasından M ve N tabaka ve alt tabakalarına boşluk geçş htmaller, (η M, η M1, η M4, η M5, η N, η N1, η N4, η N5 η O1 ve η O4,5 ), deneysel olarak ölçüldü. 2

12 GİRİŞ 1.1. X-Işınları X-Işınlarının Tanımı ve Özellkler X-ışınları elektromanyetk spektrumda ultravyole ışık le gama ışınları arasında yer alır. X-ışınları dalga boylarına göre; dalga boyu λ<0,1 Å se çok sert, λ=0,1-1 Å se sert, λ=1-10 Å se yumuşak, λ>10 Å se çok yumuşak olarak smlendrlr. X-ışınlarının en genel kaynağı br metal atomu bombardımana tab tutan yüksek enerjl elektronların yavaşlamasıdır. X-ışınları çekrdek çnde değl, elektronlar sevyesnde meydana gelen br kısım hadselern ürünüdür (Şahn, 1989). Elektromanyetk ışımadan dolayı X-ışınları çft karakterldr. Dalga ve taneck özellğ gösterrler. Fotoelektrk, Compton saçılma, gaz yonzasyonu ve sntlasyon taneck özellkler, hız, polarzasyon ve Koharent saçılma dalga özellklerdr (Bertn, 1975). X-ışınları kaynaktan çıkarak sapmadan yayılırlar. Elektrk ve manyetk alanların etks le saptırılamazlar. X-ışınlarının bu davranışı, yüklü taneck olmadıklarını gösterr. Yüklü tanecklerden oluşan elektromanyetk radyasyona foton denlr (Semat, 1967) X-Işınlarının Oluşumu Sürekl X-Işınları Hedefe gelen yüksek hızlı elektron, atomun çekrdeğne yaklaşırken elektronun negatf yükü le çekrdeğn poztf yükü etkleşr ve çekrdeğe doğru br sapma olur. Sapan elektronun hızı dolayısı le enerjs azalır. Bu enerj azalması sürekl X-ışını (bremsstrahlung) olarak ortaya çıkar. Bu ışınlara sürekl denmesnn sebeb se enerj spektrumlarının sürekl olmasındandır. Yan, sürekl X-ışınlarının enerj aralığı, hemen hemen, sıfırla yüksek hızlı elektronun maksmum enerjs arasındadır. Sürekl X-ışınlarının enerjs üç faktöre bağlıdır. Bunlar; yüksek hızlı elektronun enerjs, hedef malzemenn yoğunluğu ve elektronun hareket doğrultusu le frenleyc çekrdek arasındak uzaklık çekm kuvvet, artan uzaklıkla azalır (Aygün ve Zengn, 199). Şekl 1.1. X-ışınlarının Oluşumu (Aygün ve Zengn, 199)

13 GİRİŞ Şekl 1.2. Sürekl X-ışınları (Gündüz, 1995) Sürekl X-ışını spektrumları genş br frekans aralığını kapsayan sürekl br ışımaya karşılık gelmektedr. Bu nedenle sürekl X-ışınlarına beyaz X-ışınları denlr. Sürekl X-ışınlarının klask elektromanyetk teorye göre açıklanması; İvmel hareket eden yükler elektromanyetk ışımada bulunurlar. Yüksek enerjl elektronlar br hedefe çarptıkları zaman bu elektronların enerjlernn %1 sürekl X-ışınlarının oluşmasına yol açar. Hedefe (br X-ışını tüpünde anot hedef numunesdr) çarpan elektronlardan çok az br kısmının enerjlernn tamamı soğurulur şeklndedr. Soğurulan enerj karakterstk X-ışını olarak yayımlanır. Bu elektronlar maksmum frekanslı veya mnmum dalga boylu ışımalara sebep olurlar. Bunun dışında, enerjs kademel olarak X- ışınlarına dönüşenler de sürekl spektrumun dğer dalga boyu ve frekanslarının oluşumuna yol açar (Aygün ve Zengn, 199). Kuantum teorsnde, br X-ışını tüpünde elektronlarla meydana getrlen sürekl X- ışını spektrumu, uyarıcı elektronların maksmum enerjlerne karşılık gelen, λ mn kısa dalga boyu sınırıyla karakterze edlr; λ mn = hc ev 0 (1.1) Burada h Planck sabt ( erg. s.), c ışık hızı, e elektronun yükü ve V 0 se tüpe uygulanan potansyeldr. Br X-ışını tüpünde elektronlar tarafından meydana getrlen sürekl X-ışını spektrumu aşağıdak özellklerle karakterze edlr. 1. Kısa dalga boyu lmt λ mn altında dalga boyu gözlenemez, 2. Maksmum şddetn dalga boyu λ ma yaklaşık olarak λ mn /2'dr.. Toplam şddet, tüp voltajı ve hedef maddesnn atom numarası (Z) le orantılıdır (Aygün ve Zengn, 199). 4

14 GİRİŞ Karakterstk X-Işınları Hedefe gelen yüksek hızlı elektron yörüngede bulunan br elektronla çarpışablr. Bu çarpışma sonucunda yüksek hızlı elektrondan yörünge elektronuna uyarılma enerjs aktarılır. Yörünge elektronuna aktarılan bu uyarılma enerjs ya elektronu atomdan dışarı atacak ya da bulunduğu yörüngeden br üst yörüngeye çıkaracaktır. Her k durumda da yüksek hızlı elektron, enerjsnn br kısmını orbtal elektronuna verr. Orbtal elektronu aldığı bu fazla enerjy X-radyasyonu olarak verr. Bu şeklde k elektronun çarpışmasından meydana gelen radyasyona karakterstk radyasyon adı verlr. Bu ad orbtaln karakterstk enerj sevyelernden gelmektedr. Şekl 1.. Karakterstk X-ışını oluşumu (Brouwer, 200) Br orbtal elektronu atomdan çıkarsa yernde br boşluk kalacaktır. Bu boşluğu doldurmak çn daha üst yörüngelerde bulunan br elektron buraya geçer. Bu hareketllk atomk denge çn gerekldr. Çekrdekten daha uzaktak orbtallerde bulunan elektronlar daha büyük enerjye sahptrler. Bu yüzden üst yörüngeden alt yörüngeye geçen br elektron, aradak enerj farkını elektromanyetk dalga yan X-ışını olarak verr. Genel olarak, orbtal elektronlarının enerjler yüksek hızlı elektrona göre oldukça düşüktür. Bu yüzden meydana gelen X-ışınlarının enerjler orbtal elektronlarının enerjlern yansıtırlar, yan enerjler düşüktür ve X-ışınları olan her yerde karakterstk X-ışınları vardır (Şahn, 1989). Dğer yandan, eğer elektron atomdan dışarı çıkamazsa sadece geçc olarak orbtaln değştrecektr. Bunun neden bombardıman elektronunun enerjsnn orbtal elektronunu atomdan tamamen atacak kadar olmamasıdır. Bu durumda elektron, enerjye bağlı olarak üst yörüngelerden brne geçer ve yernde br boşluk bırakır. Bu boşluk br üst sevyedek elektron tarafından doldurulmalıdır. Fakat bu durumda fazla enerj elektromanyetk dalga, yan X-ışını olarak verlmeldr. 5

15 GİRİŞ Karakterstk X-radyasyonunun enerjs bombardıman elektronunun enerjs le tayn edlmez. Karakterstk X-ışınlarının enerjs, br orbtal elektronunun br yörüngede bulunan boşluğu doldururken verdğ enerjdr. Herhang br yolla br atomdan elektron sökülürse veya daha üst enerj sevyelerne çıkarılırsa atom uyarılmış olur. Bu uyarma genellkle, hızlandırılmış elektronlarla, X-ışını tüpünden yayınlanan X-ışınları le radyozotop kaynaktan yayınlanan fotonlarla, proton, nötron ve α parçacıklarıyla, sekonder X-ışınları le gerçekleştrlr. Bu yöntemlerden bryle atomun herhang br tabakasından sökülen elektronun yerne çok kısa br zaman çersnde (10-8 ~10-9 sn. arasında) üst tabakalardan br elektron geçş olur. Bu geçş sırasında br foton yayımlanır. İç tabakalar arasındak elektron geçşnden yayımlanan bu fotona, o elementn karakterstk X-ışını fotonu denlr. Şekl 1.4'te K tabakasına at karakterstk X- ışını grafğ verlmştr. Bu ışınlar le optk ışınlar arasındak en öneml fark; optk spektrumda görünür bölgededr. Örneğn 5000 Å dalga boylu çzgy oluşturan foton enerjs 2.48 ev ken X-ışınları spektrumunda, 1 Å dalga boylu br fotonun enerjs, bundan yaklaşık olarak beş bn kez daha büyük olup ev dur. Bunun sonucu olarak da çekrdeğe en uzak değerlk (valans) elektronlarının uyarılmış oldukları düzeylerden daha alttak enerj düzeylerne geçmeleryle oluşan optk ışınlarının aksne, karakterstk X- ışınları madde çndek br elementn herhang br atomun elektronlarının uyarılması sonucunda oluşan, elektron geçşler çekrdeğe en yakın enerj düzeyler arasında olmaktadır. Mesela K kabuğunda meydana gelen br boşluğun dğer üst tabakalardak elektronlardan br tarafından doldurulması sırasında meydana gelmektedr (Şahn, 1989). Şekl 1.4. Karakterstk X-ışınları (Gündüz, 1995) Yayınlanan tüm X-ışını fotonlarının enerjler elektronk sevyeler arasındak enerj farkı le orantılı olduğundan verlen br elementten elde edlen çzgler o element karakterze ederler. Karakterstk X-ışını fotonlarının dalga boyu le uyarılan elementn Z atom numarası arasındak lşk; 1 = K ( Z σ ) (1.2) λ şeklndedr ve bu lşkye Moseley kanunu denr. Burada K her br spektral ser çn farklı değerler alan br sabttr. σ perdeleme sabtdr ve atomdak dğer elektronlardan dolayı meydana gelen tme çn br düzeltme katsayısıdır. λ se X-ışını fotonunun dalga boyudur (Jenkns, 1986). 6

16 GİRİŞ Br foton tarafından atomun K sevyes uyarılırsa, K tabakasında oluşan boşluk atomun üst, M, N,.. tabakalarındak elektronlar tarafından doldurulablr. Bu boşluk tabakasındak elektronlarla doldurulursa meydana gelen karakterstk X-ışını K α, dğer üst tabakalar tarafından doldurulursa K β karakterstk fotonları ortaya çıkar. Bu fotonların saçılmasıyla K karakterstk çzgler elde edlr. ve M karakterstk çzgler de benzer şeklde elde edlr (Şahn, 1989). K tayfı, K tabakasındak boşluklara elektronların geçşlern takben oluşur. K tayfı bast br yapıya sahptr ve genellkle çok yüksek atom numaralı elementler çn oluşan ekstra k çft çzgden meydana gelr. tayfı, tabakalarındak boşlukları doldurmak çn elektronların bu boşluklara geçşlerne takben oluşur. Üç alt tabakaya sahp tabakası le tekl K tabakası karşılaştırıldığında, seçm kuralları le kabul edlen geçşlernn sayısı K dan çok daha fazla olmuş olacaktır. Bu yüzden tayfı K tayfından çok daha karmaşıktır ve yüksek atom numaralı elementlerde, 20 le 0 arasında dyagram çzgler gözlemek mümkündür. K serlerndek gb, öneml sayıda yasak geçşler ve karakterstk çzgler gözleneblr. Fakat brncl foton etksnden sadece çft yonlaşma le oluşan çzgler ve başlıca foto-yonlaşmadan oluşan sers çzgler K sersne benzemez (Segbahn, 1967). K ve tabakalarına kıyasla beklenldğ gb, beş alt tabakaya sahp M tayfı K ve hatta üç alt tabakaya sahp tayflarından daha karmaşık ve daha kararsızdır. Buna laveten dğer tabakalara göre daha fazla geçşler çeren yüksek numaralı tabakalardır. Hatta yayınlama spektrumunda öz-soğurmaya neden olduğu öneml değşklkler bulunur. Brçok analtk X-ışını spektrometrelernn ölçüleblen dalga boyu bölges sadece yaklaşık 20 Å kadar uzatılabldğ çn M tayfına çok az sıklıkta rastlanır ve sadece Å dan büyük vakumlu ortamda görüleblr. Buna rağmen atom numarası Z > 57 olan elementlere yaklaşıldığında güçlü M çzglerne rastlanır. M çzglernn büyük çoğunluğu, M yayınlama spektrumları geçş durumlarına göre adlandırılmıştır. Br elementn spektrumu le farklı br elementn M spektrumu arasında brtakım benzerlkler gözlenmektedr. Her k tayf yüksek enerj kıyısındak zayıf çzglerle yayılan oldukça güçlü br β ve güçlü br α le temsl edlr (Jenkns, 1986). Seçm Kuralları: Karakterstk X-ışınları tayfının oluşmasına neden olan geçşler, tesadüfî olmayıp elektronk dpol seçm kadelerne göre sınırlanmıştır. n 0 (1.) l = ± 1 ve ya j = 0 (1.4) Bunların dışındak geçşler yasak geçşlerdr X-Işını Enerj Sevyeler Br atomun herhang br alt kabuğundan br elektron sökülerek uyarıldığında, oluşan boşluklar, daha yüksek tabakalardak elektronlar tarafından 10-8 sn çersnde seçm kurallarına göre doldurulur. Eğer doldurulan tabaka K tabakası se bu ışınlar K X-ışınları adını alırken, tabakasında meydana getrlen br boşluk daha üst tabaka elektronu tarafından doldurulmuş se X-ışınları adını alır. K da meydana gelen boşluğu tabakası 7

17 GİRİŞ elektronu doldurmuş se K α, M tabakası elektronu tarafından doldurulmuş se K β olarak adlandırılır (Şahn, 1989). Eğer doldurulan tabaka M tabakası se bu ışınlar M X-ışınları adını alır. M tabakasına geçşler N ve O tabakalarından olur ve M γ, M ζ1,m ζ2, M β, M α1, M α2 ve M m gb adlarla fade edlrler (Segbahn, 1974). Bu geçşlerle lgl Segbahn göstermler Çzelge 1.1. de verlmştr. Bu geçşlerden meydana gelen X-ışını enerj sevyeler dyagramı se Şekl 1.4 de gösterlmştr. 8

18 GİRİŞ K sers K α 2 α 1 β β 1 β 2 γ 4 sers 1 2 β 4 β γ 2 γ γ 4 η β 7 β 5 ι α 2 α 1 β 6 β 15 M sers M 1 M 2 M M 4 M 5 γ ζ 2 ζ 1 α 2 N 1 N 2 N N 4 N 5 N 6 N 7 O 1 O 2 O O 4 O 5 Şekl 1.5. X-Işını Enerj Sevyeler Dyagramı (Van Greken ve Markowcz, 1992) 9

19 GİRİŞ Tablo 1.1. X-Işını Dyagram Çzglernn Segbahn Göstermler (Segbahn, 1974) Karakterstk K X- ışınları Karakterstk X- ışınları Kα 1 = K ( K) α = α 1 + α 2 Kα 2 = K 2 β 1 = 2 M 4 Kα = Kα 1 + Kα 2 β 2,15 = ( N 5 ) + ( N 4 ) Kβ 1 = K M β = 1 M Kβ 2 = K N + (K N 2 ) β 4 = 1 M 2 Kβ = K M 2 β 5 = ( O 4 ) + ( O 5 ) Kβ 4 = (K N 4 ) + (K N 5 ) β 6 = N 1 Kγ 5 = (K M 4 ) + (K M 5 ) β 7 = O 1 Kβ 1 = Kβ 1 + Kβ 2 + Kβ 5 Kβ 2 = Kβ 2 + Kβ 4 + Daha Yüksek β 7, = O Vl,Vll γ 1 = 2 N 4 Sevyelerden Geçşler l = M 1 Kβ = Kβ 1 + Kβ 2 + Kβ + Kβ 4 + Kβ γ 2 = 1 N 2 α 1 = M 5 γ = 1 N α 2 = M 4 η = 2 M X-Işınları Spektrumları X-ışını spektrometres le elde edlen spektrumlar pklerden barettr. Şekl 1.5 de X- ışınları spektrumları gösterlmştr. Bu spektrum, ncelenen numunenn elementlernden gelen karakterstk pkler harcnde farklı pkler de çerr. Bunlar: Karakterstk X-ışını pkler Koherent saçılma pkler İnkoherent saçılmadan kaynaklanan Compton Pkler Kaçak pkler Üst üste bnme pklerdr. (ands ve ark., 1972). 10

20 GİRİŞ Şekl 1.5. X-ışınları spektrumları (Söğüt, 2000) Karakterstk X-ışınları pkler: İncelenen numunenn elementlernden gelen K α, K β, α, β, M γ, M ζ1,m ζ2, M β.v.b. pklerdr. Bu pkler ayrıca, elementlern çerğ hakkında blg verp, onların tespt çn kullanılır ( Küçükönder, 1988; Söğüt, 2000). Koherent Saçılma pkler: Kaynaktan numuneye gelen brncl gama ışınlarının, numune çersnde atomlardan, enerjsn kaybetmeden saçılması sonucu, detektörde sayılmaları le oluşan pklerdr ( Küçükönder, 1988; Söğüt, 2000). Compton Pkler: Kaynaktan numuneye gelen brncl gama ışınlarının, numune çersnde nkoherent saçılmaya uğradıkları zaman enerjlernn br kısmını kaybetmeler ve detektörde sayılmaları le bu pkler oluşur. Enerj kaybı yüzünden Compton pk, koherent pknden daha düşük enerj bölgesnde oluşur. İnkoherent saçılma brden fazla olduğu gb, detektör çersnde de nkoherent saçılma olablr. Brncl gama ışınlarının enerjsnn artmasıyla Compton ve koherent pkler arasındak enerj farkı da artar. Bu da numune elementlernn atom numaralarının küçülmesnn, Compton ve koherent pkler arasındak enerj farkını büyüttüğünü gösterr( Küçükönder, 1988; Söğüt, 2000). Kaçak pkler: İncelenen numuneden salınan, karakterstk X-ışınları fotonları detektöre ulaştıklarında, detektör atomlarının brnden elektronunu sökerek elektron çft oluşturur. Bu sırada, numuneden sayılan karakterstk X-ışınları, detektöre ulaşamayıp, br etkleşme yapmadığı zaman, detektördek fotonlar gerçek enerjsnden daha az enerj le sayılırlar. Böylelkle düşük enerj bölgesnde pkler meydana gelr. Bu pklere kaçak pkler denlr ( Küçükönder, 1988; Söğüt, 2000). 11

21 GİRİŞ Üst üste bnme pkler: Detektöre aynı anda gelen k veya daha fazla karakterstk X- ışını fotonunun, br tek foton gb sayılması sonucu oluşan pklerdr. Ayrıca, X-ışınları spektrumunda, bu pklerden başka kolmatör maddesnden yayımlanan karakterstk X- ışınları pkler de meydana gelr ( Küçükönder, 1988; Söğüt, 2000). X-Işını Spektrumunun Avantajları: Optksel spektrumunun tersne X-ışını spektrumu bast ve düzenszdr. Seçm kuralları brçok elektron geçşn çerr ve znl geçşlern çoğu öneml sayılablecek kadar zayıf çzglerle sonuçlanır. Genellkle her element optk çzglernden daha zayıf X-ışını çzglerne sahptr. Ancak bu zayıf geçşler spektrokmyasal analtn temeln oluşturur. Her element aynı K, ve M çzglern çerr Karakterstk X-Işınlarının Sayılması X-Işını Spektrometreler X-ışını spektrometres, karakterstk çzg şddetlernn ölçüleblmesn ve numuneden gelen çok enerjl ışın demetn ayırmayı sağlar. Br spektrometrenn, çzgler ayırablmes çn yeterl rezülasyona sahp olması gerekr. Aynı zamanda spektrometre, lglenlen dalga boyu ve enerj bölgesnde ölçüm yapablme mkânı sağlamalıdır. Bu nedenle spektrometre seçmnde dört öneml faktör vardır; Rezülasyon, Karakterstk pk Temel sayma sevyes Enerj veya dalga boyu aralığı Bu faktörlern hçbr brbrnden bağımsız değldr. Örneğn, rezülasyonun sabt tutulması, mutlak pk şddetnn düşmesne neden olur. Br spektrometrenn rezolüsyonu, onun çzgler ayırma kablyet olarak tarf edlr. Rezülasyon, herhang br kaynakdetektör mesafesnde kalbre edlmemş kaynaklarla tayn edleblr. X-ışını spektrometreler üç kısımda ncelenmektedr. 1- Dalga boyu ayırımlı spektrometreler 2- Enerj ayırımlı spektrometreler - Özel spektrometreler Dalga boyu ayırımlı spektrometreler enerj ayırımlılardan % 50 oranında daha hassastırlar. Enerj ayırımlı spektrometreler enerj aralığındak tüm elementler aynı anda ölçeblrken, dalga boyu ayırımlı sstemler sadece programlanmış oldukları elementler ölçeblrler. Bu üç özel sstemde çok yüksek hassasyete ve aşırı düşük konsantrasyonlu veya çok düşük boyutlu ve mktarlı numuneler le çalışma mkânlarına sahptrler. Dalga boyu ayırımlı sstemlerde rezülasyon, analz edc krstaln açısal dağılımına ve kolmatör dverjansına bağlıdır. Bu sstemlerde rezülasyon ev aralığındadır. Enerj ayırımlı sstemlerde se rezolüsyon detektöre ve detektör amplfkatörüne bağlıdır ve ev aralığındadır (Van Greken ve Markowcz, 1992). Enerj ayırımlı spektrometreler, uyarıcı kaynak, detektör ve sayma sstemlernden oluşurlar. Bu sstemlerde sayaçlar genel olarak, S() veya Ge() şeklndedr. Very 12

22 GİRİŞ oluşturmak, pulsları brbrnden ayırmak ve belrlemek çn çok kanallı analzör kullanılır. Enerj ayırımlı sstemlern rezolüsyonu yaklaşık olarak detektörünkne eşttr ve bu yüzden bu sstemlerde detektör seçm çok önemldr. Dalga boyu ayırımlı spektrometreler br krstal ve br sayıcıdan meydana gelen tek kanallı analzör olarak kullanılableceğ gb brçok krstal ve sayıcıdan meydana gelen çok kanallı spektrometre olarak ta kullanılablr. Bu durumda elementler eş zamanlı olarak ölçüleblr. Bu spektrometre sstem, br X-ışını tüpü, br numune tutucu, br brncl kolmatör, br krstal ve ardışık sayıcılardan oluşur. Enerj ayırımlı sstemler, dalga boyu ayırımlı sstemlere nazaran k öneml avantajlara sahptrler. İlk avantajı numunede yayınlama spektrumunu aynı zamanda oluşturması ve göstermesdr. İknc avantajı se, mekank olarak kullanım kolaylığıdır (Van Grıeken ve ark. 199; Şahn, 1998). Bütün spektrometreler br kaynak, numune ve keşf sstemdr. Kaynaktan br numuneye ışın gönderlr ve numuneden gelen radyasyon br detektörle ölçülür. (Şekl 1.6) Şekl 1.6. EDXRF ve WDXRF spektrometrelernn temel planları (Brouwer, 200) Çoğu durumlarda kaynak olarak br X-ışını tüpü, radyoaktf kaynak veya sklatron kullanılır. Spektrometrk sstemler genellkle k ana grup çnde sınıflandırılır; enerj ayırımlı sstemler (EDXRF) ve dalga boyu ayırımlı sstemler (WDXRF). İk sstem arasındak farklılık dedeksyon sstemnde bulunablr. EDXRF spektrometreler, numuneden drekt gelen karakterstk radyasyonun farklı enerjlern ölçeblen detektöre sahptr. Detektör, numunedek elementlerden dolayı numune çnde oluşan radyasyonu numuneden ayırablr. Bu ayrılma dspersyon olarak adlandırılır. WDXRF spektrometreler farklı enerjler ayırmak çn br analz krstal kullanılır. Numuneden dolayı gelen radyasyonun tamamı krstal üstüne düşer. Br przmanın farklı renkler farklı yönlerde kırması gb bu krstalde farklı enerjler farklı yönlerde ayırır (Brouwer, 200). 1