Um die K-Linie bzw. die charakteristische Röntgenstrahlung zu Verstehen, sind wesentliche Kenntnisse über den Atombau notwendig. So besteht nach dem Bohrschen Atommodell ein Atom aus einem Atomkern (mit positiv geladenen Protonen) und einer Elektronenhülle, auf der sich die negativ geladenen Elektronen “bewegen” (Schalenmodell). Die einzelnen Schalen werden dabei mit K, L, N… (analog dem Periodensystem) bezeichnet.
Trifft nun eine bestimmte “Menge” an Energie auf ein Elektron auf einer Schale in der Elektronenhülle, kann dies aus der aktuellen Position (aus der aktuellen Bahn) herausgeschossen werden. Oft verwendet man hierzu Elektronen, um andere Elektronen aus der Bahn zu schießen. Ist nun das Elektron aus seiner Bahn herausgeschossen worden, hat das Atom (physikalisch) das Bestreben, dieses “Loch” wieder zu füllen. Dabei wird dieses Loch mit einem Elektron einer anderen Schale gefüllt. In der Regel schießt man innere Elektronen heraus (diese sagen mehr über den Atomaufbau aus, während äußere Atome mehr über das Reaktionsverhalten aussagen), so dass das erzeugte Loch durch ein Elektron auf einer höheren bzw. äußeren Bahn wieder gefüllt wird. Da dieses Elektron aber einen anderen Energiezustand hat, also das Elektron, dass entfernt wurde, muss dieser Energiezustand angepasst werden. Daher wird beim Übergang eines Elektrons von einer äußeren Schale in eine innere Schale Energie frei (in der Regel von Photonen bzw. Licht). Im Falle des o. g. Übergangs liegt die emittierte Wellenlänge (bzw. Energie) im Bereich der Röntgenstrahlung. Daher wird das Licht, dass beim Übergang eines Elektrons von einer äußeren Schale auf eine innere Schale frei wird, auch als charakteristische Röntgenstrahlung bezeichnet.
In diesem Kapitel werden die Grundlagen von K Alpha vorgestellt, keine Berechnungen oder weiterführenden Erläuterungen. Im ersten Schritt befassen wir uns mit der Nomenklatur der charakteristischen Röntgenstrahlen. Liegt eine charakteristische Röntgenstrahlung vor, so gibt der erste Buchstabe die (innere) Schale an, in die das Elektron von einer äußeren Schale übergegangen ist (dies sind bevorzugt die inneren Schalen K und L). Nach dem Buchstaben, der die Schale angibt, folgt ein griechischer Buchstabe (als Index angegeben). Aus diesem Buchstaben lässt sich schlußfolgern, aus welcher Schale das Elektron stammt. Denn der Index gibt die Differenz in der Hauptquantenzahl n an. Beispielsweise kommt das Elektron von der L-Schale, so liegt eine Differenz in der Hauptquantenzahl von Δn = 1 vor (diese Differenz wir mit dem Index α angegeben, liegt eine Differenz Δn = 2 vor, so wird dies mit dem Index β gekennzeichnet.
Die am meisten verwendete charakteristische Linie bzw. Strahlung, ist die K Alpha-Linie, also Übergang eines Elektrons aus der L- in die K-Schale
Ganz so einfach ist es dann leider doch nicht, denn das Bohrsche Atommodell ist in einigen Teilen nicht ausreichend genug und wir müssen beispielsweise auf das Orbitalmodell “ausweichen”. Danach können die Zustände in der Elektronenhülle nur bestimmte Quantenzahlen annehmen (Hauptquantenzahl n, Nebenquantenzahl l, magnetische Quantenzahl m und Spin s), wobei einige Auswahlregeln gelten (siehe hierzu die Kapitel in der Physikalischen Chemie).
So gibt es dann nicht nur eine Kα-Linie (in einem Spektrum), sondern eine Kα1-Linie und eine Kα2-Linie. Bei beiden Prozessen liegt ein Übergang eines Elektrons von der L-Schale (n = 2) auf die K-Schale (n = 1) vor. Allerdings existieren auch hier Auswahlregeln. So sind nur Übergänge erlaubt, für die die Auswahlregel Δl = 1 gilt (dies kennen wir bereits aus der Bahndrehimpulserhaltung).
Damit ist beispielsweise der Übergang von L (2s) und K (1s) verboten. Damit können wir bereits beide K – Linien bestimmen Kα1 ist der Übergang von L(2p, 1/2) nach K (1s, 1/2) und Kα2 ist der Übergang von L (2p, 3/2) nach K (1s, 1/2)
Bedeutung von K Alpha
Wie eingangs erwähnt, gehört K Alpha zur sogenannten charakteristischen Röntgenstrahlung. Charakteristisch deshalb, da sie für jedes Element charakteristisch ist. Das bedeutet, mit Hilfe der K Alpha-Linie (bzw. dem Zahlenwert) kann man auf das Element schließen, dass man untersucht hat. Denn (gemäß der Elektronenkonfiguration) hat jedes Element ein für sich spezifische Konfiguration und erzeugt daher ein charakteristisches Spektrum mit charakteristischer Röntgenstrahlung.
Die K Alpha-Linie (Kα-Linie) ist eine spezifische Wellenlänge des Röntgenspektrums, die entsteht, wenn ein eingekapseltes Elektron aus der K-Schale eines Atoms herausgestoßen wird und das resultierende Loch durch ein Elektron aus einer höheren Schale gefüllt wird.
Die Kα-Linie befindet sich im Röntgenspektrum.
Die Kα-Linie entsteht durch den Röntgenfluoreszenz-Prozess, wenn ein Elektron aus der innersten Schale eines Atoms herausgeschlagen wird und ein Elektron aus einer höheren Schale in die vakante Position wechselt.
Die Energie einer Kα-Linie wird normalerweise in Einheiten von Elektronenvolt (eV) ausgedrückt.
Die Energie der Kα-Linie hängt von der atomaren Nummer (Zahl) des betrachteten Elements ab.
Kα-Linien sind wichtig für die Materialanalyse, da sie spezifisch für jedes Element sind. Sie erlauben daher die Identifizierung des Elements in einer Probe.
Die wichtigste Differenz zwischen diesen beiden Linien besteht in der Energie und Intensität. Die Kα1 Linie ist energiereicher und intensiver als die Kα2 Linie.
In der Röntgenkristallographie werden Kα-Linien zur Bestimmung von Kristallstrukturen genutzt, indem die Art und Weise analysiert wird, wie sie von einem Kristall gestreut oder reflektiert werden.
Die Intensität der Kα-Linie auf einem Röntgenspektrum könnte durch viele Faktoren beeinflusst werden, einschließlich der Konzentration des betreffenden Elements in der Probe und der Ausrichtung der Probe relativ zum Röntgenstrahl.
Die Kα-Linie wird nicht direkt in der medizinischen Bildgebung verwendet, jedoch spielen die Konzepte der Röntgenstrahlung, zu denen die Kα-Linie gehört, eine wichtige Rolle in Verfahren wie Computertomographie (CT) und Mammographie.