Le spectre de rayons X
Supposons que l’on bombarde une cible de \(\ce{Mo}\) avec des électrons accélérés sous des tensions croissantes. Étudions pour chaque tension d’accélération la répartition du spectre obtenu, c’est-à-dire l’évolution de l’intensité des rayons X émis en fonction de leur longueur d’onde. Jusqu’à une tension de \({20}\textrm{ kV}\), on obtient un spectre continu qui s’arrête vers les courtes longueurs d’onde. À partir de \({25}\textrm{ kV}\), des raies d’émission très intenses apparaissent ; elles se détachent du spectre continu : ce sont les raies caractéristiques.
Le spectre continu
Le spectre continu est dû à la décélération des électrons incidents lorsqu’ils entrent en contact avec l’anticathode. Certains électrons, stoppés net par un seul choc, transmettent toute leur énergie et donnent naissance à des photons X dont l’énergie \(h\nu\) est égale à l’énergie \({\rm eV}\) des électrons incidents.
\({\lambda}_m = \frac{hc}{{\rm eV}} \Rightarrow {\lambda}_m ({\, Å}) = \frac{12400}{V ({\textrm{volts}})}\)
où \(\lambda_m\) est la valeur limite de la longueur d’onde des photons X émis.
La longueur d’onde des photons émis ne peut être inférieure à \(\lambda_m\) qui décroît quand la tension croit. On remarque que cette longueur d’onde est indépendante de la cible et ne dépend que de la tension d’accélération des électrons.
D’autres électrons transmettent leur énergie à la suite de plusieurs chocs et donnent naissance à des photons de moindre énergie, de longueur d’onde supérieure qui composent le spectre continu.
Les raies caractéristiques
Nomenclature
Contrairement au spectre continu, le spectre de raies est une caractéristique de l’anticathode. Sous l’impact des électrons incidents, une couche électronique d’un atome de l’anticathode peut perdre un électron qui est expulsé par son noyau. Il faut pour cela que l’énergie des électrons incidents eV soit supérieure à l’énergie de liaison (par exemple \(W_K\)) des électrons qui gravitent sur leur orbitale (par exemple \(K\)). L’atome se trouve alors dans un état excité et la désexcitation peut se faire par passage d’un électron des orbitales \(L\) (respectivement \(M\)) vers l’orbitale \(K\) et émission d’un photon X d’énergie \(W_K - W_L\) (respectivement \(W_K - W_M\)) caractéristique de l’atome. Cette radiation est appelée radiation caractéristique \(K_\alpha\) (respectivement \(K_\beta\)).
Dans le cas où la désexcitation se fait sur une couche \(L\), la raie caractéristique est appelée \(L\), \(L_\alpha\) si l’électron provient de la couche immédiatement supérieure \(M\).
Remarquons que l’on peut préciser encore la description en tenant compte de la structure fine du nuage électronique. Nous savons que quatre nombres quantiques définissent l’état d’un électron dans un atome. La combinaison de ces quatre nombres quantiques définit un certain nombre de niveaux d’énergie à l’intérieur de chaque couche, par exemple les trois niveaux \(L_{I}\), \(L_{II}\) et \(L_{III}\) dans la couche \(L\). Les transferts d’électrons entre les différents niveaux d’énergie obéissent à des règles de sélection. Ainsi, un électron de la couche \(K\) ne peut être remplacé par un électron du niveau \(L_{I}\), mais il peut être remplacé par un électron du niveau \(L_{II}\), on aura dans ce cas une raie \(K_{\alpha 1}\), ou par un électron du niveau \(L_{III}\), on aura dans ce cas une raie \(K_{\alpha 2}\).
Longueurs d'onde des raies caractéristiques
Si un électron est éjecté d’un niveau d’énergie \(W_1\) et est remplacé par un électron d’un niveau d’énergie \(W_2 < W_1\), le photon X émis aura une énergie \(E_{\gamma}\) telle que :
\(E _ {\gamma} = W_1 - W_2 = \frac{hc}{\lambda} \Leftrightarrow \lambda = \frac{hc}{\left(W_1 - W_2 \right)}\)
\(W_1\) et \(W_2\) sont caractéristiques du numéro atomique de l’élément considéré, du numéro de la couche (nombre quantique n) et du niveau d’énergie dans la couche.