Взаємодія речовини з випромінюванням

На рис. 1а показана схема енергетичних рівнів твердого тіла. Енергія відраховується вниз від рівня Фермі, прийнятого за рівень нульової енергії. Формально за нуль слід приймати енергію рівня вакууму на нескінченно великій відстані від поверхні твердого тіла, проте в РФЕС енергії зв'язку вимірюються щодо рівня Фермі.

Поверхня досліджуваного зразка піддається опроміненню рентгенівським випромінюванням відомої енергії (рис. 1б). Якщо енергія випромінювання перевищує енергію зв'язку електрона в атомі, то такий електрон може бути вибитий і задетектований. Описаний процес являє собою первинний фотоефект, принцип якого покладений в основу методу РФЕС. У результаті виходить атом з діркою на одному з нижніх електронних шарів. Розглянемо такий процес для рівня К (1s).

Після утворення дірки на рівні К атом релаксує, заповнюючи цю дірку, внаслідок переходу електрона з зовнішнього рівня, в даному прикладі з рівня L₁ (рис. 1в). У результаті цього переходу виникає надлишкова енергія, рівна різниці енергій (Е_K - E_L1), яка може бути використана атомом будь-яким з наступних двох способів: може перейти в енергію фотона характеристичного рентгенівського випромінювання (рис. 1г), або може бути передана іншому електрону, що знаходиться на тому ж або більш високому рівні, внаслідок чого цей другий електрон покине атом (рис. 1д і 1е). Перший процес є рентгенівської флуоресценцією і лежить в основі методу РФА, а другий - оже-емісією, також відомої як вторинний фотоефект, і лежить в основі методу ЕОС. Оже-перехід, зображений на рис. 1, згідно зазвичай використовуваного jj-зв'язку, позначається як KL₁L_2,3. Очевидно, ці ж позначення можна використовувати для інших переходів в атомі, представлених на тому ж рисунку, наприклад KL₁L₁, KL_2,3L_2,3 і т.д. Якщо електрон, що бере участь в оже-процесі, знаходиться у валентній зоні, то його позначають V, наприклад, як KL_2,3V, якщо бере участь один електрон з валентної зони, і, наприклад, як KVV, якщо обидва електрона належать валентній зоні.

Довжина хвилі випускається фотона пов'язана з енергією формулою

 

,                                           (5)

 

де E₁ і E₂ - енергії орбіталей, між якими відбувся перехід електрона; h - постійна Планка; с - швидкість світла; λ - довжина хвилі випускаємого фотона.

Рисунок 1. Схема процесів взаємодії речовини з випромінюванням

(позначення в тексті)

 

Позначення рентгенівських квантів наведені на рис. 2.

Рисунок 2. Позначення рентгенівських квантів

 

Водночас інтенсивність (число фотонів, що надходять за одиницю часу) пропорційна концентрації (кількості атомів) відповідного елемента. Це дає можливість елементного аналізу речовини: визначення кількості атомів кожного елемента, що входить до складу зразка.