Рентгеновские спектpы

Лекция 10. Элементы физики атомов и молекул

В 1895 г. немецким физиком В. Рентгеном было открыто излучение, получившее название рентгеновского. Оно представляет собой электромагнитные волны с l = . Различают два вида рентгеновского излучения: тормозное и характеристическое. Ускоренные электрическим полем электроны бомбардируют анод, испытывая на нем резкое торможение. Когда энергия бомбардирующих электронов становится достаточной для вырывания электронов с внутренних оболочек атома, на фоне тормозного излучения появляются резкие линии характеристического. Частоты этих линий зависят от природы вещества, из которого изготовлен антикатод.

Спектр рентгеновского излучения представляет собой наложение сплошного спектра, ограниченного со стороны коротких длин волн некоторой границей , называемой границей сплошного спектра, и линейчатого – совокупности отдельных линий, появляющихся на фоне сплошного спектра.

Характер сплошного спектра совершенно не зависит от материала анода, а определяется только энергией бомбардирующих электронов. Излучение испускается электронами в результате их торможения при взаимодействии с атомами мишени. Сплошной рентгеновский спектр поэтому называют тормозным спектром, а возникновение его находится в согласии с классической теорией.

При достаточно большой энергии бомбардирующих анод электронов на фоне сплошного спектра появляются отдельные резкие линии – линейчатый спектр, определяемый материалом анода и называемый характеристическим рентгеновским спектром (излучением).

По сравнению с оптическими характеристические рентгеновские спектры элементов совершенно однотипны и состоят из нескольких серий, обозначаемых K, L, M, N, O. Каждая серия, в свою очередь, содержит небольшой набор отдельных линий, обозначаемых в порядке убывания длины волны индексами a, b, g, … (). При переходе от легких элементов к тяжелым структура характеристического спектра не изменяется, он лишь смещается в сторону коротких длин волн. Особенность этих спектров состоит в том, что атомы каждого химического элемента, независимо от того являются ли они свободными или входят в химическое соединение, обладают определенным, присущим только им линейчатым спектром. Если анод состоит из нескольких элементов, то и характеристическое рентгеновское излучение представляет собой наложение спектров этих элементов.

Разберем механизм возникновения рентгеновских серий. Предположим, что под влиянием внешнего электрона или высокоэнергетического фотона вырывается один из двух электронов K -оболочки атома. На его место может перейти электрон с более удаленных от ядра оболочек L, M, N, … Такие переходы сопровождаются испусканием рентгеновских квантов и возникновением спектральных линий K -серии: и т.д. Самой длинноволновой из них является линия . Частоты линий возрастают в ряду , поскольку увеличивается высвобождаемая энергия. Интенсивности линий, наоборот, убывают, так как вероятность переходов электронов с L на K -оболочку выше, чем с более удаленных M и N. K -серия обязательно сопровождается другими сериями, так как при ее испускании появляются вакансии в оболочках L, M, …, которые будут заполняться электронами, находящимися на более высоких уровнях.

Аналогично возникают и другие серии, наблюдаемые, впрочем, только для тяжелых элементов. Рассмотренные линии характеристического излучения могут иметь тонкую структуру, поскольку уровни, определяемые главным квантовым числом, расщепляются согласно значениям орбитального и магнитного квантовых чисел.

Исследуя рентгеновские спектры, английский физик Г. Мозли установил в 1913 г. соотношение, называемое законом Мозли:

, (10.1)

где n – частота, соответствующая данной линии характеристического рентгеновского излучения, R – постоянная Ридберга, s – постоянная экранирования, m = 1, 2, 3, … (определяет рентгеновскую серию), n принимает целые значения, начиная с m + 1 (определяет отдельную линию соответствующей серии). Закон Мозли подобен обобщенной формуле Бальмера для атома водорода.

Смысл s заключается в том, что на электрон, совершающий переход, действует не весь заряд ядра Ze, а заряд (Z - s) e, ослабленный экранирующим действием других электронов. Например, для - линии s = 1.

Дата добавления: 2014-01-13