Hoe komt het dat fotonen van zwaardere elementen meer energie hebben dan van kleinere elementen?

"Hangt dat af van de afstand die het elektron terugvalt? Maar dat heeft weer niets te maken met het aantal protonen."

Integendeel, de energie die vrijkomt bij een terugvallend elektron heeft wel degelijk te maken met het aantal protonen in de kern. Dat laatste bepaalt namelijk hoeveel elektronen er rondom een atoomkern zitten. Daarnaast moet je weten dat de elektronen om een kern alleen op een bepaalde manier aanwezig kunnen zijn in zogeheten 'orbitalen' die overeenkomen met een bepaald energieniveau (zie afbeelding). Elke orbitaal kan slechts een beperkt aantal elektronen bevatten (in principe per twee, van tegenovergestelde spin). Die orbitalen bevinden zich als het ware op steeds grotere afstanden van de kern. En omdat elke orbitaal maar een beperkt aantal elektronen kan huishouden, moet je om meer elektronen te herbergen steeds verder van de kern plek zoeken. De terugvalafstand van een elektron dat naar een hoger energieniveau (= orbitaal) is getrapt door een inkomend elektron of foton, word dus naar mate het element zwaarder is (en dus meer elektronen en gevulde orbitalen heeft) steeds groter.

Bijvoorbeeld het element waterstof (1 proton, 1 elektron) heeft slechts één elektron in de 1s orbitaal. Het element koolstof heeft twee elektronen in de 1s oribitaal, twee in de 2s en nog eens één in de 2px en één in de 2py (de 2pz oribitaal blijft leeg). -[Technisch detail voor het geval echte natuurkundigen meekijken: bij koolstof zijn de 2s en 2px en 2py orbitalen 'gehybridiseerd tot sp³.]- Koolstof is als atoom dus niet alleen zwaarder, maar qua omvang ook groter dan waterstof, omdat koolstof meer hogere orde orbitalen heeft dan waterstof, die zich dus op een grotere afstand van de kern bevinden.

Het energieniveau van een van de binnenste elektronen is erg laag door de wet van Coulomb. Door de hoge kernlading en doordat de hoge kernlading een kleinere straal toestaat neemt het energieniveau kwadratisch toe met de kernlading. Een kenlading van 80 heeft daardoor een laagste energieniveau dat 6400 keer zo groot is als het binnenste elektron van een waterstofatoom.

Bij een invallende rontgenstraling van de juiste frequentie kan de kinetische energie van het elektron weer zover toenemen dat de potentiele energie van het elektron weer 0 wordt. Dat betekent dat het elektron oneindig ver van de kern afstaat, kortom het elektron wordt weggeslagen. Op hun beurt kunnen andere elektronen weer terugvallen.


In de bron van Moseley gaat het specifiek over de Rontgenspectra van de elementen. Door de relatie tussen de frequentie en het atoomnummer kon het atoomgewicht vastgesteld worden door rontgenspectra te bepalen.
De wortel van f is evenredig met Z-1. (Z is atoomnummer, f frequentie van de straling, evenredig met energie). De herkomst van Z-1 heeft inderdaad te maken met de toestand voor en na het wegslaan van een elektron. Na het wegslaan is ook de negatieve wolk om het elektron verdwenen waardoor de energie zeer ver van de wolk weer wat afneemt.

Het wegslaan van een elektron uit de baan met een lage energie wordt weer aangevuld vanuit andere elektronen die hun energie verliezen door uitzenden van een foton. Om het atoomgewicht te bepalen richt men zich uitsluitend op de hoogste energie. De andere frequenties die je noemt zijn kleinere energiestappen.