特性X線の発生とその特徴

以前の記事（「X線の種類と発生方法」）で、特性X線は軌道電子の電離し、他の軌道から電子が遷移することにより引き起こされることを説明しました。

今回は特性X線について、少し踏み込んで説明していきます。

結合エネルギー
特性X線のエネルギーと線スペクトル
Kα線とKβ線
まとめ

結合エネルギー

それぞれの軌道電子は、原子核と決まったエネルギーで結びついていて、これを結合エネルギーと呼んでいます。

結合エネルギーは、内側の軌道電子ほど強く（原子核と強く結びつく）、遠くの軌道電子ほど弱く（原子核と弱く結びつく）なります（図１）。

図１　原子核と軌道電子間の結合エネルギー

特性X線の発生は電離が関係するため、入射電子がターゲット物質に衝突して軌道電子をたたきだす必要があり、そのためには入射電子のエネルギーが軌道電子の結合エネルギーよりも大きいことが必要になります。

特性X線のエネルギーと線スペクトル

例えば、特性X線はK軌道の軌道電子が空席となったとき、L軌道の電子がK軌道に遷移することで発生します（図２）。

図２　特性X線の発生とエネルギー

図２の場合、特性X線のエネルギーは以下のように表されます。

E(keV) ＝ E_K(keV) － E_L(keV)　　　（式１）

※　Eは特性X線のエネルギー、E_KはK軌道電子の結合エネルギー、E_LはL軌道電子の結合エネルギーを表します。

このとき、特性X線は軌道間の結合エネルギーの差に相当するエネルギーを放出するため、必ず決まったエネルギーを放出することから、線スペクトルを示すと言われます。

Kα線とKβ線

K軌道の電子が空席となり、L軌道の電子がK軌道に遷移したとき、発生する特性X線を K_α線と言い、M軌道からK軌道に遷移したときは、K_β線と言います。

例えば、Mo原子（モリブデン原子）の結合エネルギーは、K軌道電子で約２０.０keV、L軌道電子で約２.５keV、M軌道電子で約０.４keVであると知られています（図３）。

図３　モリブデン原子における軌道電子の結合エネルギー

K軌道電子が空席になり、L軌道電子がK軌道に遷移した場合は、２０.０keV－２.５keV＝１７.５keVのK_α線が放出され（図４左）、M軌道電子がK軌道に遷移した場合は、２０.０keV－０.４keV＝１９.６keVのK_β線が放出されます（図４右）。

図４　モリブデン原子からのＫ_α線（左）とＫ_β線（右）

もう１つ例を見てみます。

W原子（タングステン原子）の結合エネルギーは、K軌道電子で約６９.５keV、L軌道電子で約１０.０keV、M軌道電子で約５.０keVであると知られています（図５）。

図５　タングステン原子における軌道電子の結合エネルギー

K軌道電子が空席になり、L軌道電子がK軌道に遷移した場合は、６９.５keV－１０.０keV＝５９.５keVのK_α線が放出され（図６左）、M軌道電子がK軌道に遷移した場合は、６９.５keV－５.０keV＝６４.５keVのK_β線が放出されます（図６右）。

図６　タングステン原子からのＫ_α線（左）とＫ_β線（右）

このように、原子ごとに軌道電子の結合エネルギーが異なるため、放出される特性X線のエネルギーも変わります。しかしながら、特性X線が軌道間（例えば、K軌道とL軌道）の結合エネルギーの差に相当するエネルギーを放出すること自体は変わりません。
すなわち、特性X線は「 原子によって決められている単一エネルギーのX線 である」ことが分かります。

また、今回はK軌道の電子がが空席になった場合で説明しましたが、L軌道の電子が空席になった場合も同様に、L_α線（M軌道からL軌道へ遷移）、L_β線（N軌道からL軌道へ遷移）が放出されます。