La fluorescenza X o fluorescenza a raggi X (XRF ) è l’emissione di caratteristici raggi X “secondari” da un materiale eccitato dal bombardamento con raggi X o raggi gamma ad alta energia
Fenomeni quali la cattura elettronica e la conversione interna determinano l’eccitazione elettronica degli atomi interessati. Si ha la successiva emissione di radiazioni caratteristiche le quali, pur essendo di origine extranucleare, sono strettamente associate al decadimento radioattivo.
Sebbene con meccanismi diversi, sia la cattura elettronica sia la conversione interna lasciano una vacanza. Essa è detta anche lacuna ovvero mancanza di un elettrone in uno dei gusci elettronici più interni (spesso nel guscio K) degli atomi interessati.
In tali casi, poiché il guscio K è quello caratterizzato dalla più elevata energia di legame, un elettrone appartenente a un guscio più esterno passa immediatamente nel guscio K, riempiendone la vacanza, e tale transizione elettronica provoca l’emissione di un fotone avente energia corrispondente alla differenza tra le energie di legame degli elettroni dei due gusci interessati.
Per esempio, se un elettrone del guscio L, avente energia di legame EL passa ad occupare la vacanza del guscio K, dove l’energia di legame vale EK si avrà l’emissione di un fotone avente energia:
hν = EK – EL
Per il cadmio, ad esempio, il valore di EK è pari a 26.7 keV mentre il valore di EL è dell’ordine di 3.7 keV per cui l’energia del fotone è di circa 23 keV.
Radiazioni emesse tramite fluorescenza X
Da questo esempio si rileva che le radiazioni emesse sono in generale dei raggi X e il fenomeno è appunto noto sotto il nome di fluorescenza X.
Il passaggio dell’elettrone dal guscio L al guscio K, oltre a provocare l’emissione del fotone X, lascia una vacanza nel guscio L, che deve essere a sua volta riempita da un elettrone di un guscio più esterno, ad esempio il guscio M con emissione di un altro fotone la cui energia ( minore) è data dalla differenza:
hν’ = EL – EM
e così per le successive vacanze nei gusci via via più esterni. Si ha in tal modo una cascata di fotoni secondo lo schema seguente:
M ——●——●—— M——●——●—— M ——●——-○—–
L ——●——●—— L——●——○—— L ——●——-●——
K ——●——-○—– K——●——●—— K——●——-●——
Il fenomeno è complicato dalla possibilità tutt’altro che trascurabile che il fotone X emesso da una delle transizioni elettroniche possa essere assorbito da un elettrone più esterno, il quale viene poi espulso dall’atomo, con un’energia cinetica data dalla differenza tra l’energia del fotone X e l’energia di legame dell’elettrone espulso.
Effetto Auger
L’emissione di elettroni atomici in seguito all’emissione di raggi X causata da trasformazioni nucleari è denominata effetto Auger dal nome del suo scopritore, il fisico francese Pierre Victor Auger, e gli elettroni emessi vengono denominati elettroni Auger.
L’energia di eccitazione elettronica derivante dall’esistenza di una vacanza in uno dei gusci più interni, può avvenire in due modi:
1) con emissione di fotoni X aventi energie caratteristiche (fluorescenza X)
2) con l’emissione di elettroni Auger anch’essi con energie cinetiche caratteristiche.
In conseguenza della conversione interna o della cattura elettronica, si osservano generalmente entrambi i fenomeni e, allo scopo di valutarne l’entità relativa, è stata introdotta la resa di fluorescenza Y, data dal rapporto:
Y = numero di fotoni X emessi/ numero di vacanze elettroniche iniziali
Si può anche definire una resa di fluorescenza specifica per un dato guscio: per esempio, per il guscio K la resa di fluorescenza è data da:
YR = numero di fotoni con energia hν = Ei – EK/ numero di vacanze iniziali nel guscio K
Nella quale EK indica l’energia di legame nel guscio K ed Ei l’energia del fotone iniziale.
La resa di fluorescenza cresce in modo all’incirca proporzionale al numero atomico per valori di Z da 10 a 60 e tende a livellarsi per valori di Z superiori.