Spettroscopia di Assorbimento di Raggi X

Teoria

Quando i raggi X interagiscono con la materia, essi perdono energia a causa dell’effetto Compton, della produzione di coppie e dell’effetto fotoelettrico. La forza relativa di questi tre effetti dipende dall’energia della radiazione. Nella gamma di energie a nostra disposizione l’effetto fotoelettrico gioca il ruolo più importante.
La figura seguente mostra schematicamente l’andamento della percentuale di trasmissione in funzione dell’energia della radiazione. La causa dell’irregolarità nota come “edge absorption” è l’effetto fotoelettrico.

Esperimento

Lo studio dell’assorbimento dei raggi X può essere eseguito con il nostro diffrattometro. Un cristallo come NaCl diffrange ogni lunghezza d’onda della radiazione entrante con un’angolazione diversa, secondo la legge di Bragg.

nλ= d sinθ

Le soluzioni con valori bassi di n sono più intense delle soluzioni per n superiori, quindi ai fini di questo esperimento, verrà considerato soltanto il valore più basso di n. Quindi:

2λ = d sinθ

Il raggio quasi monocromatico di raggi X “prodotto” dal cristallo può essere usato per misurare l’interazione con la materia ad una specifica energia dei raggi X. Questo esperimento misurerà la trasmissione dei raggi X attraverso vari elementi e come il coefficiente di trasmissione dipende dall’energia.

Prima di tutto dobbiamo acquisire uno spettro senza assorbitore. È necessario conoscere l’intensità originale del fascio di radiazioni per calcolare successivamente la percentuale di trasmissione. Lo spettro ottenuto è mostrato nel grafico qui sotto.

Dopo questa prima misura inseriamo il filtro di rame (Cu) e registriamo un altro spettro con esattamente le stesse impostazioni. Ripetiamo questa procedura, sostituendo il filtro con Zinco (Zn), Nichel (Ni) e Cobalto (Co). Le intensità misurate con i vari filtri vengono confrontate con le intensità originali per calcolare la trasmissione percentuale dei raggi X (%), in funzione della lunghezza d’onda dei raggi X o, meglio, in funzione dell’energia dei raggi X.

I grafici sotto mostrano la trasmissione percentuale dei raggi X per ciascun filtro in funzione dell’energia, per Cobalto e Nichel, nel primo grafico, e per Rame e Zinco, nel secondo grafico. Nei grafici vi è l’evidenza di improvvisi cambiamenti nella trasmissione percentuale che si verificano in ogni materiale. Questi sono conosciuti come “Absorption Edge”. Di particolare rilievo è il grafico di Nickel. La radiazione caratteristica del rame Kβ è di energia appena maggiore del K Edge del Nickel, mentre la radiazione Kα è al di sotto del K Edge. Il nichel viene quindi utilizzato per filtrare selettivamente la radiazione Kβ, consentendo di eseguire esperimenti con solo la radiazione Kα del rame.

Osserviamo che solo il Cobalto ha assorbito o “filtrato” entrambe le linee di emissione K del rame ma che il nichel ha discriminato in modo significativo tra la radiazione Kβ e Kα.
Chiaramente l’assorbimento dei raggi X dipende non solo dallo spessore del materiale di assorbimento, ma anche dalla natura del materiale stesso.
Il coefficiente di assorbimento lineare non è quindi un parametro “definitivo”, in particolare con fogli sottili dove l’effetto dovuto al materiale è maggiore di quello dovuto allo spessore.

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