Espectroscopia de rayos X con dispersión de longitud de onda

Los rayos X se generan cuando un haz de electrones con suficiente energía desplaza un electrón de un orbital interno dentro de un átomo o ion, creando un vacío. Este vacío se llena cuando un electrón de un orbital superior libera energía y desciende para reemplazar al electrón desplazado. La diferencia de energía entre los dos orbitales es característica de la configuración electrónica del átomo o ion y puede utilizarse para identificarlo. ^{[ 1 ]}

Los elementos más ligeros, hidrógeno , helio , litio , berilio hasta el número atómico 5, no tienen electrones en orbitales externos para reemplazar un electrón desplazado por el haz de electrones y, por lo tanto, no pueden detectarse utilizando esta técnica. ^{[ 2 ]}

Según la ley de Bragg , cuando un haz de rayos X de longitud de onda "λ" incide sobre la superficie de un cristal en un ángulo "θ" y el cristal tiene planos de red atómica separados por una distancia "d", entonces la interferencia constructiva dará como resultado un haz de rayos X difractados que se emitirá desde el cristal en un ángulo "θ".

2d sen θ = nλ ,

donde n es un número entero igual al pico de difracción de orden n que se detectó. ^{[ 1 ]}

En la práctica, se utiliza el ángulo de Bragg del pico de difracción de primer orden, ya que este presenta la mayor intensidad y señal, lo que implica que n = 1 según la ley de Bragg; por lo tanto, n se cancela efectivamente en la ecuación. El ángulo de Bragg y la intensidad del pico de segundo orden se utilizan para confirmar el pico de primer orden o si los picos de otros elementos se superponen con el de primer orden.

Esto significa que un cristal con un tamaño de red conocido desviará un haz de rayos X de un tipo específico de muestra en un ángulo predeterminado. El haz de rayos X se puede medir colocando un detector (generalmente un contador de centelleo o un contador proporcional ) en la trayectoria del haz desviado y, dado que cada elemento tiene una longitud de onda de rayos X distintiva, se pueden determinar múltiples elementos utilizando múltiples cristales y múltiples detectores. ^{[ 1 ]}

Para mejorar la precisión, los haces de rayos X se coliman generalmente mediante láminas de cobre paralelas denominadas colimador de Söller . El monocristal, la muestra y el detector se montan con precisión en un goniómetro , de manera que la distancia entre la muestra y el cristal sea igual a la distancia entre el cristal y el detector. Generalmente se opera al vacío para reducir la absorción de radiación blanda (fotones de baja energía) por el aire y, por lo tanto, aumentar la sensibilidad para la detección y cuantificación de elementos ligeros (entre el boro y el oxígeno ). La técnica genera un espectro con picos que corresponden a las líneas de rayos X. Este se compara con espectros de referencia para determinar la composición elemental de la muestra. ^{[ 3 ]}

A medida que aumenta el número atómico del elemento, hay más electrones posibles en diferentes niveles de energía que pueden ser emitidos, lo que da como resultado rayos X con distintas longitudes de onda. Esto crea espectros con múltiples líneas, una por cada nivel de energía. El pico más prominente del espectro se denomina Kα _, el siguiente Kβ _, y así sucesivamente.

• El análisis generalmente se limita a un área muy pequeña de la muestra, aunque los equipos automatizados modernos a menudo utilizan patrones de cuadrícula para áreas de análisis más grandes. ^{[ 4 ]}
• La técnica no puede distinguir entre isótopos de elementos ya que la configuración electrónica de los isótopos de un elemento es idéntica. ^{[ 2 ]}
• No puede determinar el estado de valencia del elemento, por ejemplo Fe ²⁺ frente a Fe ³⁺ . ^{[ 2 ]}
• En ciertos elementos, la línea K _α puede superponerse a la K _β de otro elemento y, por lo tanto, si el primer elemento está presente, el segundo elemento no puede detectarse de manera confiable (por ejemplo, V K _α se superpone a Ti K _β ) ^{[ 2 ].}