Física atómica y nuclear

Transcripción

1 Física atómica y uclear Física de rayos X spectroscopia de la eergía de los rayos X LD Hojas de Física P studio de los espectros característicos e fució del úmero atómico de los elemetos: líeas L Objetivos del experimeto g Registro de los espectros de fluorescecia de líeas L de rayos X para varios elemetos. g studio de la estructura de la serie L. g Trazado de u diagrama de Moseley y determiació de la costate de apatallamieto atómico para los electroes de las capas L. Iv 006 Pricipio Al operar u tubo de rayos X, además del espectro cotiuo de radiació de freado, tambié se emite la radiació característica (ver tambié, por ejemplo, la Hoja de Física LD P6.3.3.). Al cotrario de lo que ocurre co la radiació de freado, la radiació característica o tiee ua distribució cotiua de itesidades de radiació e el espectro, sio que su espectro está compuesto por líeas ítidas. La radiació característica se geera cuado los electroes que so acelerados hacia el áodo e el tubo de rayos X golpea a otros electroes y los expulsa de las capas iteras de los átomos que compoe el material de áodo. l átomo que es ioizado de esta forma pasa a teer u espacio libre (hueco de electró) e ua capa iferior, que ates estaba llea. stos huecos de electroes puede ser ocupados co electroes de otras capas, co uioes más débiles, del átomo: por ejemplo, la capa K puede cerrarse por la trasició de u electró de la capa L. sta trasició está relacioada co la emisió de u fotó. sta radiació sólo tiee eergías fotóicas discretas particulares que correspode a la diferecia de eergía etre los iveles ivolucrados, y es característica de cada elemeto químico. Las desigacioes de las líeas características de los rayos X so ua combiació del símbolo de la capa del electró (K, L, M, etc.) y ua letra griega (α, β, γ, etc.) o ua letra latia. La capa del electró a la que se hace referecia es la que fue ioizada ates de la trasició del electró. Por ejemplo, la desigació líea Kα describe la trasició desde la capa L hasta la capa K, Kβ se refiere a la trasició desde la capa M hasta la capa K. Las líeas Lα, Lβ y Lγ se refiere a las trasicioes desde la capa M y la capa N a la capa L. Si se aaliza co u poco más de detalle, es obvio que la omeclatura de las líeas de rayos X evolucioada a través de la historia o siempre es lógica. Fig. 1: Diagrama simplificado de omeclatura de u átomo co varias líeas características de rayos X e la serie K y la serie L. La estructura fia de las líeas, por ejemplo Lα 1 y Lα o se puede desdoblar e este experimeto. Por lo tato, aparece e el espectro como ua úica líea (Lα). Además de la excitació primaria producida por los electroes e el tubo de rayos X, las líeas características tambié puede ser excitadas a través de la irradiació de u objetivo co fotoes de alta eergía. Aquí la ioizació del átomo objetivo es provocada mediate la absorció de u fotó de rayos X. ste proceso de excitació secudaria tambié recibe el ombre de fluorescecia de rayos X. LD Didactic GmbH Leyboldstrasse 1 D Huerth / Alemaia Teléfoo: (033) Fax: (033) ifo@ld-didactic.de

2 P LD Hojas de Física Materiales 1 aparato de rayos X co tubo de rayos X de Mo y goiómetro o 1 aparato de rayos X co tubo de rayos X de Cu y goiómetro 1 detector de eergía de rayos X juego de objetivos para fluorescecia de líeas L Sesor-CASSY uidad MCA CASSY Lab cable HF de 1 m PC co Widows 98/NT o versioes más recietes Fig. : Motaje del experimeto: a - colimador, b - objetivo, c - mesa para objetivo, d - detector. Para calcular las eergías correspodietes a las líeas características es ecesario coocer los iveles de eergía e el átomo (eergías de elace e las capas electróicas). stos puede ser tratados de maera similar al hidrógeo, reemplazado la carga real del úcleo Z por la carga efectiva Z = Z σ co ua costate de apatallamieto atómico ef σ. toces, la eergía de u electró e ua capa itera se puede represetar e forma aproximada por ua fórmula de Bohr distita, co el úmero cuático pricipal y Z σ : ( Z σ ) = Rhc, dode R es la costate de dberg, R = m e h c. l e 4 8ε 0 úmero cuático pricipal se refiere a las capas de electroes: = 1 para la capa K, = para la capa L, = 3 para la capa M, etc. sta fórmula describe la estructura de eergía de u electró e ua capa itera. La costate de apatallamieto σ depede, por lo geeral, de y Z. Para las frecuecias de las líeas características ν = ( 1) h co las trasicioes 1 ( > 1 ), se aplica la siguiete fórmula: ( Z σ ) ( Z σ ) 1 ν = cr. 1 Si e vez de σ 1 y σ se itroduce ua úica costate de apatallamieto atómico promedio σ, 1 para las trasicioes de a 1, la fórmula se puede reescribir como Ley de Moseley: ν ν R ( ) 1 1 Z σ,1 1 = co la frecuecia de dberg, (I) ν R = cr. sto quiere decir que la raíz cuadrada de la frecuecia de las líeas características e ua serie es ua fució lieal del úmero atómico Z. Reformulada para obteer la eergía de la líea característica, la ecuació (I) se covierte e: σ. (II) ( ) 1 1 Z,1 1 = Aquí, el valor umérico para = Rhc 13,6 ev., J Motaje La Fig. muestra el motaje del experimeto. - Guíe el cable de coexió de la fuete de alimetació de mesa a través del coducto vacío del aparato de rayos X, y coéctelo al echufe hembra Mii-DIN del detector de eergía de rayos X. - Asegure el cojuto del detector de eergía de rayos X y el soporte del sesor e el brazo para el sesor del goiómetro. - Coecte la salida de señal del detector de eergía de rayos X al echufe hembra BNC desigado SIGNAL IN del aparato de rayos X utilizado el cable BNC sumiistrado. - Use ua catidad de cable suficiete para que el brazo del sesor pueda realizar u movimieto completo. l aparato de rayos X cumple co todas las ormas vigetes para equipos de rayos X; es u dispositivo totalmete protegido para usos educativos, y es del tipo cuyo uso e escuelas está permitido e Alemaia (NW 807 / 97 Rö). La protecció itegrada y las medidas del blidaje reduce la itesidad de dosis local e el exterior del aparato de rayos X a meos de 1 µsv/h. ste valor se ecuetra e el orde de magitud de la radiació de fodo atural. g Ates de comezar a utilizar el aparato de rayos X, verifique que o se ecuetre dañado y asegúrese de que la alta tesió se iterrumpa cuado se abre las puertas corredizas (ver Hoja de istruccioes para el aparato de rayos X). g No permita el acceso de persoas o autorizadas al aparato de rayos X. vite el sobrecaletamieto del áodo del tubo de rayos X. g Al eceder el aparato de rayos X, verifique que el vetilador de la cámara del tubo esté girado. l goiómetro es posicioado exclusivamete por medio de motores eléctricos paso a paso. g No bloquee el brazo para el objetivo y el brazo para el sesor del goiómetro y o utilice la fuerza para moverlos. LD Didactic GmbH Leyboldstrasse 1 D Huerth / Alemaia Teléfoo: (033) Fax: (033) ifo@ld-didactic.de

3 LD Hojas de Física P Presioe el botó SNSOR y co la perilla ADJUST fije maualmete el águlo del sesor e Coecte el Sesor-CASSY a la computadora y echufe la uidad MCA. - Coecte la salida SIGNAL OUT del pael de coexioes del aparato de rayos X a la uidad MCA co el cable BNC. - Ajuste las distacias etre el diafragma raurado del colimador y el eje de rotació y etre el eje de rotació y la vetaa del detector de eergía de rayos X etre 5 y 6 cm cada ua. - Coloque el objetivo de plata (Ag) del juego de objetivos para fluorescecia de líeas L sobre la mesa para objetivo. - Presioe el botó TARGT y co la perilla ADJUST ajuste el águlo del objetivo e forma maual e 45. Realizació del experimeto - Coecte la fuete de alimetació de mesa a la red eléctrica (luego de aproximadamete miutos el LD brilla e color verde y el detector de eergía de rayos X está listo para fucioar). - Abra CASSY Lab, y ajuste los siguietes parámetros de medició: Medició multicaal; 51 caales; pulsos egativos; Gaacia = -,5; Duració 300 s. - Fije la alta tesió del tubo U = 35 kv y la corriete de emisió I = 1 ma y coecte la alta tesió. - Comiece el registro del espectro haciedo clic e o presioado F9. - Luego registre los espectros para los otros objetivos del juego de objetivos para fluorescecia de líeas L. - Guarde las medicioes co u ombre adecuado. jemplo de medició A partir del ejemplo de medició (Figuras 3 a-h), es evidete que la eergía de las líeas características y la separació etre los compoete α y β de la serie de espectros L aumeta a medida que aumeta el úmero atómico. los espectros de la plata, el idio y el estaño, las líeas K y las líeas L está presetes simultáeamete. Co los elemetos más pesados, tambié se vuelve evidetes otros compoetes de la serie L. Fig. 3b: spectro de fluorescecia de rayos X del idio (I). Nota: además de las líeas de fluorescecia de los elemetos objetivo, la dispersió de la emisió primaria (Mo Kα, Kβ) tambié es evidete e los espectros, así como la fluorescecia de la coraza del detector (Au Lα, Lβ). Fig. 3c: spectro de fluorescecia de rayos X del estaño (S). Fig. 3a: spectro de fluorescecia de rayos X de la plata (Ag). Fig. 3d: spectro de fluorescecia de rayos X del tugsteo (W). LD Didactic GmbH Leyboldstrasse 1 D Huerth / Alemaia Teléfoo: (033) Fax: (033) ifo@ld-didactic.de

4 P LD Hojas de Física Fig. 3e: spectro de fluorescecia de rayos X del oro (Au). valuació y resultados a) Idetificació de las líeas de la serie L La serie L de la radiació de rayos X característica tiee más líeas que la serie K. Para los elemetos más pesados se puede demostrar cuatro compoetes de la serie L co el detector de eergía de rayos X: Ll, Lα, Lβ, y Lγ. La Fig. 4 muestra las líeas idetificadas para el oro. Fig. 3h: spectro de fluorescecia de rayos X del plomo (Pb). c) studio de la depedecia de la eergía de las líeas L respecto del úmero atómico y cálculo de las costates de apatallamieto atómico Para el aálisis cuatitativo, se determia las eergías de cada líea: - Seleccioe el espectro de eergía. - Seleccioe Otras evaluacioes Calcular el cetro del pico e el meú cotextual de la vetaa del diagrama, luego seleccioe la líea. - Lea las posicioes del pico que se lee e la líea de estado e igréselas e ua tabla (ver tabla 1). Nota: Dado que las líeas Lα y Lβ de los elemetos plata, idio y estaño o está desdobladas, éstas será tratadas e la evaluació como ua úica líea. - Para cada líea calcule la expresió y σ, 1 usado la ecuació (II) e igrese los valores e la tabla. Fig. 4: Serie L del oro co las desigacioes de líeas. b) Calibració de eergía de los espectros La calibració de eergía de los espectros se realiza para la líea Lα del tugsteo (W) y la líea Kα de la plata (Ag). - Abra la vetaa de diálogo Calibració de eergía co el atajo Alt+, seleccioe Calibració global de eergía e igrese las eergías de la líea Lα del W (8,40 kev) y la líea Kα de Ag (,17 kev). - Los espectros de la plata y el tugsteo debe ser seleccioados e sucesió. - Seleccioe Otras evaluacioes Cálculo del cetro del pico e el meú cotextual de la vetaa del diagrama, seleccioe la líea Lα del W, e igrese el resultado e la vetaa Calibració de eergía". - Luego determie el cetro para la líea Kα de Ag e igréselo. Tabla 1 ergías determiadas e forma experimetal de las líeas K y costates de apatallamieto atómico σ α y σ β para las trasicioes correspodietes de electroes. lemeto Z, kev Líea Kα σ, kev α Líea Kβ Ag 47,74 14, 8,9,74 14, 8,9 I 49 3,16 15, 8,1 3,16 15, 8,1 S 50 3,37 15,7 7,8 3,37 15,7 7,8 σ β W 74 8,40 4,85 7,31 9,76 6,79,1 Au 79 9,75 6,77 7,15 11,60 9,0 0,63 Pb 8 10,60 7,9 7,09 1,74 30,61-0,13 LD Didactic GmbH Leyboldstrasse 1 D Huerth / Alemaia Teléfoo: (033) Fax: (033) ifo@ld-didactic.de

5 LD Hojas de Física P Creació del diagrama de Moseley e CASSY LAb: - stablezca ua variable ueva Número atómico (como parámetro, símbolo: Z, desde: 0, hasta: 90, posicioes decimales: 0). - stablezca ua variable ueva Moseley alfa (como parámetro, símbolo: y_&a, desde: 0, hasta: 40, posicioes decimales: ). - stablezca ua variable ueva Moseley beta (como parámetro, símbolo: y_&b, desde: 0, hasta: 40, posicioes decimales: ). - Cree ua ueva represetació deomiada "Moseley" co el úmero atómico como eje X e y α, y β como eje Y. - Igrese e la tabla para la represetació "Moseley" el úmero atómico y los valores de para las líeas α (como y α ) y para las líeas β (como y β ) (ver Fig. 5). - Seleccioe represetació Moseley, y e el meú cotextual de la vetaa del diagrama seleccioe fectuar ajustes "Recta promedio. Seleccioe los valores de y α e el diagrama. - Tambié trace ua líea para los valores de y β. Fig. 5 Depedecia de las eergías de las líeas L respecto del úmero atómico (diagrama de Moseley). Se muestra los valores de para las líeas Lα (y α, cuadrados) y las líeas Lβ (como y β, triágulos) y la líea recta ajustada. l resultado mostrará ua depedecia aproximadamete lieal de las eergías de las líeas L respecto del úmero atómico (ver Fig. 5). La costate de apatallamieto promedio para las trasicioes es la itersecció de la líea ajustada co el eje x. Depedecia de las costates de apatallamieto respecto del úmero atómico: - stablezca ua variable ueva σ α (como parámetro, ombre: Apatallamieto alfa, símbolo: S &s_&a, desde: -1 hasta 10, posicioes decimales: ). - Cree ua variable ueva σ β (como parámetro, ombre: Apatallamieto beta, símbolo &s_&b, desde: -1 hasta 10, posicioes decimales: ). - Cree ua ueva represetació deomiada "Apatallamieto" co el úmero atómico como eje X, y σ α, σ β como eje Y. - Igrese e las tablas para la represetació "Apatallamieto" el úmero atómico y los valores de σ para las líeas α y de σ β para las líeas β (ver Fig. 6). α Fig. 6 Costates de apatallamieto atómico efectivas para las trasicioes de electroes de las líeas L. La gra diferecia etre la depedecia de las costates de apatallamieto atómico para la líea Lα y la líea Lβ respecto del úmero atómico Z idica las diferecias e estructura y los subiveles e la capa M y la capa L. s otable que la costate de apatallamieto atómico para las líeas Lα tega u valor 7. sto quiere decir que el apatallamieto es sumiistrado por los siete electroes restates e la capa L ates de la ioizació. sto demuestra uevamete que los orbitales p y los orbitales s (capa L o capa K) tiee ua forma tal que los dos electroes e la capa K o puede apatallar la trasició de Lα. LD Didactic GmbH Leyboldstrasse 1 D Huerth / Alemaia Teléfoo: (033) Fax: (033) ifo@ld-didactic.de