Характеристичне рентгенівське випромінювання

З попереднього є очевидним, що переходи між енергетичними рівнями повністю заповнених шарів і оболонок є неможливими. Але ситуація змінюється, якщо певним чином вибити електрон з глибокого шару, наприклад, при бомбардуванні металічного анода (антикатода) рентгенівської трубки швидкими електронами (§6.15). Після вибивання електрона з внутрішнього шару на вакантне місце може перейти електрон з вищого шару, при цьому випромінюється квант , у відповідності з енергетичною діаграмою, зображеною на рис. 7.16. Таке випромінювання називається рентгенівським характеристичним; воно володіє лінійчатим спектром, характерним для матеріалу антикатода. Лінії характеристичного випромінювання накладаються на суцільний спектр гальмівного випромінювання (рис. 6.33).

Відмітимо, що на енергетичній діаграмі (мал. 7.16) зображені терми оболонок з вакансіями, бо лише в такому атомі можливі переходи між шарами. При цьому можливі не усякі переходи, а лише ті, при яких виконуються наступні правила відбору: а для обмежень немає.

Спектральні лінії характеристичного рентгенівського випромінювання групуються в серії K, L, M, N ... Зрозуміло, що К-серія формується при переході електронів на вакантні місця в К-шарі (n₁ = 1) з вищих шарів L, M, N, … (n₂ = 2,3,4,…), при цьому випромінюються відповідно лінії. Аналогічно L-серія формується при переході електронів на вакансії L-шару () з вищих шарів (). Для М-серії , а для N-серії .

Важливо зауважити, що енергетична відстань між термами різних шарів значно перевищує відстань між термами одного шару (якщо б на мал. 7.16 був дотриманий масштаб, то терми одного шару практично зливалися б). І тому в першому наближенні дискретністю термів в межах одного шару можна знехтувати і вважати, що енергія визначається лише квантовим числом n. Це дозволяє розраховувати довжини хвиль спектральних ліній в серіях за допомогою формули Мозлі

(7.62)

де R – введена раніше постійна Рідберга (§7.1), а s - постійна екранування. Фізичний зміст цієї постійної стає зрозумілим, якщо врахувати, що електрон, який здійснює перехід, перебуває в полі не тільки ядра з зарядом +Ze, як у випадку воднеподібних атомів, але і в полі електронів шару, на який відбувається перехід. Поле цих електронів послаблює (екранує) поле ядра. Зокрема, в К-шарі лише один електрон (другий попередньо вибитий) і тому для К-серії s = 1. Для інших серій s > 1; наприклад, для L-серії s =7,5.

Відмітимо, що поява ліній К-серії супроводжується завжди випромінюванням інших серій, бо заповнення вакансії в К-шарі приводить до виникнення вакансій у вищих шарах. Зрозуміло, що формула Мозлі є наближеною. При точних вимірюваннях виявляється, що кожна спектральна лінія розщеплена на декілька, дуже близьких. Наприклад, –лінія – це дублет з двох ліній: і (мал. 7.16).