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Oberflächenanalytik mit Licht - Erzeugung, Absorption und Nachweis von Photonen

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Um Oberflächen zu untersuchen, benötigen wir oberflächensensitive Messmethoden. Wir wollen heute Photonen und Elektronen als oberflächensensitive Sonden diskutieren. Etwas Grundlagen zu den Photonen: Photonen oder Lichtquanten sind
gekennzeichnet durch eine Frequenz nü oder einer Wellenlänge lambda, beide hängen in einfacher Weise zusammen über die Lichtgeschwindigkeit c zusammen. Während die Frequenz eine Konstante ist, sind die Lichtgeschwindigkeit und die Wellenlänge vom Medium abhängig. In einem Medium ist Licht langsamer und hat entsprechend eine kürzere Wellenlänge. als im Vakuum. Wir können die Energie eines Photons auszeichnen mit der PLANCKschen Konstante multipliziert mit der Frequenz. Wir können auch statt der Wellenlänge die sogenannte Wellenzahl lambda quer angeben; die Anzahl der Wellenzüge pro Zentimeter. Wir haben Licht in ganz unterschiedlichen Energiebereichen vorliegen. Das klassische sichtbare Licht hat eine
Wellenlänge von etwa 400 bis 650 Nanometer. 400 nm - blaues Licht; 650 nm - rotes Licht an das Rot schließt sich Infrarotstrahlung an (IR) danach folgen Mikrowellen und Radiowellen. an das Blau - die energiereiche Seite - schließt sich Ultraviolettstrahlung (UV) an, Röntgenstrahlung und Gammastrahlung folgen. Von dem Licht, das von der Sonne auf die Erde fällt, gelangen nur zwei Regionen auf der Erdoberfläche. Es ist einmal das sogenannte optische Fenster - blau bis rot - und das Radiofenster. UV-Strahlung, Gammastrahlung und
Mikrowellen werden in der Atmosphäre absorbiert Photonen kann man auf verschiedene Art und Weise erzeugen. Der sogenannte schwarze Körper erzeugt ein kontinuierliches Spektrum von Photonen Das Emissionsspektrum eines schwarzen Körpers kann nach Planck berechnet werden. Das Maximum des Spektrums hängt von der Temperatur des schwarzen Körpers ab (WIENsches
Verschiebungsgesetz) Die Sonne hat eine Temperatur von 5500 Kelvin und hat entsprechend ein Maximum in ihrem Emissionsspektrum bei ca. 500 Nanometer Wenn wir die Temperatur des schwarzen Strahlers herunterfahren, wird zum einen die Farbe des Lichtes nach Rot und IR verschoben. Zum anderen geht die Intensität der Strahlung mit der vierten Potenz der Temperatur zurück (Stefan-Boltzmann-Gesetz) Das Spektrum des Sonnenlichts ist zwar kontinuierlich; dennoch finden sich gewisse dunkle Bereiche, die sogenannten Fraunhofer Linien. Diese entstehen dadurch, dass von Elementen in der Sonnenatmosphäre bestimmte Wellenlängen absorbiert werden. Diese Absorption oder auch die
Emission von ganz wenigen charakteristischen Wellenlängen durch Elemente ist mit dem Begriff "Linienspektrum" verknüpft. Quecksilberdampf emittiert zum Beispiel nur ganz bestimmte Farben. Im sichtbaren Bereich erkennt man nur vier Wellenlängen.
Man erklärt sich dies so, dass Photonen durch Übergänge von Elektronen zwischen Orbitalen entstehen. Da nur bestimmte Orbitalenergien möglich sind, existieren auch nur bestimmte Energiedifferenzen und damit Farben Sehr bekannt
ist das Linienspektrum von Natrium. Natrium hat in der dritten Schale nur ein Elektron. Dieses Elektron kann vom 3s in das 3p Orbital angeregt werden. Wenn das Elektron wieder nach 3s zurückfällt, wird eine ganz bestimmte Wellenlänge - 589 Nanometer - emittiert. Das ist das bekannte gelbe Natriumlicht. Diese Wellenlänge kann auch absorbiert werden. Die Absorption kann für analytische Untersuchungen genutzt werden (AAS). Um Röntgen-Photonen herzustellen, beschleunigen wir
Elektronen sehr stark, und bremsen sie dann ab, indem wir sie auf ein Anodenmaterial auftreffen lassen. Das Ganze passiert in einer evakuierten Röhre. Die Elektronen, die auf das Anodenmaterial prallen, sind so energiereich, dass sie Elektronen aus den inneren Schalen des Anodenmaterials herausschlagen können. Es folgt eine Lücke in einer der inneren Schalen und ein weiteres Elektron aus einer etwas weiter äußeren
Schale kann auf die innere Schale zurück fallen und die Lücke schließen. Die dabei emittierte hochenergetische Strahlung ist die charakteristische Röntgenstrahlung man kategorisiert diese Strahlung indem man die Schalen der beteiligten
Elektronen nennt: Der Großbuchstabe bezeichnet die Schale des primär herausgeschleuderten Elektrons; der griechische Buchstabe steht für den Abstand der zweiten beteiligten Elektronenschale. Die Energie der Röntgenstrahlung lässt sich leicht errechnen, wenn wir den Energieunterschied der beiden beteiligten Orbitale ermitteln. Konkurrierend zum Röntgen-Effekt ist der Auger-Meitner-Effekt. Wir haben die gleiche Ausgangssituation wie vorhin: aus einer inneren Schale wurde ein Elektron herausgeschleudert. Ein Elektron aus einer höheren Schale "rückt nach". Der zunächst emittierte Röntgenquant wird im selben Atom wieder absorbiert und ein drittes Elektron - eben das Auger-Meitner-Elektron - wird mit charakteristischer Energie emittiert. Wir haben hier
drei Orbitale, die involviert sind: das Orbital, aus dem ein Elektron herausgeschleudert wurde, das Orbital des nachrückenden Elektrons und das Orbital des schließlich emittierten Elektrons. Bei Elementen mit geringen Ordnungszahlen überwiegt der Auger-Meitner-Effekt. Bei hohen Ordnungszahlen überwiegt der Röntgeneffekt. Etwa bei Ordnungszahl 30 halten sich beide Effekte die Waage Hier haben wir das Auger-Meitner-Spektrum einer Kupferprobe. Wir sehen, dass auf dieser Kupferprobe offensichtlich eine gewisse Menge Stickstoff vorhanden ist.
denn wir sehen die charakteristische Energie eines Elektrons für den Stickstoff K L L Übergang. Die Energie der verschiedensten Röntgenübergänge sind tabelliert Wenn wir zum Beispiel eine Röntgenenergie von 1486,7
Elektronenvolt messen, dann wissen wir, dass diese Photonen nur von Aluminiumatomen stammen können. Sie entsprechen dem K Alpha Übergang und einer Wellenlänge
von 840 Pikometer. Wenn wir hingegen 1253,6 Elektronenvolt messen, entsprechend einer Wellenlänge von 991 Pikometer, dann haben wir es mit Magnesium zu tun. Neben der charakteristischen Strahlung emittiert
eine Röntgenröhre auch noch kontinuierliche Strahlung, die sogenannte Bremsstrahlung. Diese ist darauf zurückzuführen, dass die Elektronen im Anodenmaterial wenig charakteristisch abgebremst werden. Photonen können in verschiedener Art und weisen mit Materie wechselwirken. Die energiearmen Mikrowellen-Photonen können Rotation der Moleküle anregen. Bekanntestes Beispiel ist das Erwärmen wasserhaltiger Speisen im Mikrowellenherd. Hier haben wir es mit Energien unterhalb 1 Kilojoule pro Mol zu tun. Infrarotstrahlung kann
Schwingungen von Molekülen anregen. Hier haben wir es mit Energien bis zu 100 Kilojoule pro Mol zu tun. Sichtbare Strahlung und Ultraviolettstrahlung kann Valenzelektronen anregen
und damit für die Farbe von Molekülen verantwortlich sein Und Röntgenstrahlung kann auch Kern-nahe Elektronen anregen. Bezüglich der Menge der absorbierten Photonen gilt das LAMBERT-BEERsche Gesetz. Wenn wir die Intensität der einfallenden Strahlung mit I 0 und die Intensität der transmittierten Strahlung mit I bezeichnen, dann ist der Logarithmus von I 0 durch I - die sogenannte Extinktion - proportional der Konzentration der absorbierenden Spezies. Diese Beziehung wird häufig in der quantitativen Analyse verwendet. Um Röntgenlicht nachzuweisen, gibt es verschiedene Detektoren. Es gibt zum Beispiel Halbleiterdetektoren, die Energie-dispersiv arbeiten (EDX).
Und es gibt Wellenlängen-dispersive Detektoren, die mit einem Kristallanalysator arbeiten und die verschiedenen
Winkel abrastern. (WDX) Die letztere Methode ist deutlich empfindlicher.
Elektron <Legierung>
Vorlesung/Konferenz
Ultraviolettspektrum
Emissionsspektrum
Potenz <Homöopathie>
Vorlesung/Konferenz
Chemisches Element
d-Orbital
Elektron <Legierung>
Orbitalenergie
Vorlesung/Konferenz
Elektron <Legierung>
Vorlesung/Konferenz
Natrium
Orbital
Atom
Elektron <Legierung>
Schälen
Vorlesung/Konferenz
Elektron <Legierung>
Zellkern
Vorlesung/Konferenz
Orbital
Ordnungszahl
Chemisches Element
Stickstoff
Proton
Vorlesung/Konferenz
Mineralgang
Magnesium
Graphiteinlagerungsverbindungen
Valenzelektron
Ultraviolettspektrum
Elektron <Legierung>
Vorlesung/Konferenz
Molekül
Spezies <Chemie>
Lambert-Beersches Gesetz
Quantitative Analyse
Vorlesung/Konferenz
Molekül
Konzentration
Elektronische Anregung
Vorlesung/Konferenz

Metadaten

Formale Metadaten

Titel Oberflächenanalytik mit Licht - Erzeugung, Absorption und Nachweis von Photonen
Serientitel Einführung in die Oberflächenanalytik
Teil 7
Anzahl der Teile 12
Autor Lauth, Günter Jakob
Mitwirkende Lauth, Anika (Medientechnik)
Lizenz CC-Namensnennung - keine kommerzielle Nutzung 3.0 Deutschland:
Sie dürfen das Werk bzw. den Inhalt zu jedem legalen und nicht-kommerziellen Zweck nutzen, verändern und in unveränderter oder veränderter Form vervielfältigen, verbreiten und öffentlich zugänglich machen, sofern Sie den Namen des Autors/Rechteinhabers in der von ihm festgelegten Weise nennen.
DOI 10.5446/15748
Herausgeber Günter Jakob Lauth (SciFox)
Erscheinungsjahr 2013
Sprache Deutsch
Produktionsjahr 2013
Produktionsort Jülich

Inhaltliche Metadaten

Fachgebiet Physik, Chemie

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