ФИЗИКА

6.5. Рентгеновские спектры

В исследованиях строения электронных оболочек сложных атомов, при изучении строения молекул и особенно кристаллических решёток твёрдых тел большую роль сыграло излучение, открытое в 1895 г. Рентгеном и названное в его честь рентгеновским. Рентгеновское излучение возникает при торможении веществом быстрых электронов в результате преобразования кинетической энергии этих электронов в энергию электромагнитного излучения с длиной волны в диапазоне от 0,01 E до 800 E.

Таким образом, рентгеновское излучение представляет собой весьма короткие электромагнитные волны, волновая природа которого полностью доказана в опытах по дифракции. Самым распространённым источником рентгеновского излучения является рентгеновская трубка. Она состоит из вакуумированного стеклянного или металлического корпуса, в котором на определённом расстоянии друг от друга находятся катод и анод, включённые в цепь высокого напряжения. Катод служит источником электронов, анод (антикатод) – источником рентгеновского излучения. Между катодом и анодом создаётся электрическое поле, разгоняющее электроны до энергий . В современных ускорителях (бетатронах, синхротронах) рентгеновское излучение возникает при торможении электронов с энергиями порядка и более.

Исследования спектрального состава рентгеновского излучения показывают, что его спектр имеет сложную структуру (рис. 6.6.1) и зависит как от энергии электронов, так и от материала анода. Спектр представляет собой наложение сплошного спектра, ограниченного со стороны коротких длин волн некоторой границей , и линейчатого спектра – совокупности отдельных линий, появляющихся на фоне сплошного спектра.

Характер сплошного спектра совершенно не зависит от материала анода, а определяется только энергией бомбардирующих анод электронов. Детальное исследование свойств этого излучения показало, что оно испускается бомбардирующими анод электронами в результате их торможения при взаимодействии с атомами мишени. Поэтому сплошной рентгеновский спектр называют тормозным. Этот вывод находится в согласии с классической теорией излучения. Однако из этой теории не следует наличие коротковолновой границы сплошного спектра.

Из опытов следует, что чем больше кинетическая энергия электронов, вызывающих тормозное рентгеновское излучение, тем меньше . Это обстоятельство, а также наличие самой границы объясняется квантовой теорией. Очевидно, что предельная энергия кванта соответствует такому случаю торможения, при котором вся кинетическая энергия электрона переходит в энергию кванта, т.е.

,

где U – разность потенциалов, за счёт которой электрону сообщается энергия;

- частота, соответствующая границе сплошного спектра.

Отсюда граничная длина волны

(6.6.1)

что соответствует экспериментальным данным.

Измеряя границу рентгеновского сплошного спектра, можно по формуле (6.6.1) определить значение постоянной Планка.

При достаточно большой энергии бомбардирующих анод электронов на фоне сплошного спектра появляются отдельные резкие линии (рис. 6.6.1) – линейчатый спектр, определяемый материалом анода и называемый характеристическим рентгеновским спектром.

По сравнению с оптическими спектрами характеристические рентгеновские спектры элементов совершенно однотипны и состоят из нескольких серий, обозначаемых K,L,M,N и О. Каждая серия, в свою очередь, содержит небольшой набор отдельных линий, обозначаемых в порядке убывания длины волны индексами . При переходе от лёгких элементов к тяжёлым структура характеристического спектра не изменяется, лишь весь спектр смещается в сторону коротких волн. Особенность этих спектров состоит в том, что атомы каждого химического элемента, независимо от того, находятся ли они в свободном состоянии или входят в состав химического соединения, обладают определённым, присущим только данному элементу характеристическим рентгеновским спектром.

Рассмотрение структуры и особенностей этих спектров приводит к выводу, что их возникновение связано с процессами, происходящими во внутренних, застроенных электронных оболочках атомов, которые имеют сходное строение.

Рассмотрим механизм возникновения рентгеновских серий, который схематически показан на рис. 6.6.2.

Предположим, что под влиянием внешнего электрона или высокоэнергетического фотона вырывается один из двух электронов К-оболочки атома. Тогда на его место может перейти электрон с более удалённых от ядра оболочек L, M, N,…. Такие переходы сопровождаются испусканием рентгеновских квантов и возникновением спектральных линий К-серии: и т.д. Самой длинноволновой линией К-серии является линия . Частоты линий возрастают в ряду , поскольку энергия, высвобождаемая при переходе электрона на К-оболочку с более удалённых оболочек, увеличивается. Наоборот интенсивности линий в ряду убывают, так как вероятность переходов электронов с L-оболочки на К-оболочку больше, чем с более удалённых оболочек М и N. К-серия обязательно сопровождается другими сериями, так как при испускании её линий появляются вакансии в оболочках L, M,…,которые будут заполняться электронами, находящимися на более высоких уровнях.

Аналогично возникают и другие серии.

Мозли в 1913 г. установил закон, связывающий частоты линий рентгеновского спектра с атомным номером Z испускающего их элемента. Обычно этот закон выражают формулой

(6.6.2)

где c и σ - константы.

Таким образом: корень квадратный из частоты является линейной функцией атомного номера Z.

Смысл константы σ легко понять: электроны, совершающие переходы при испускании рентгеновского излучения, находятся под воздействием ядра, притяжение которого несколько ослаблено действием остальных окружающих его электронов. Это так называемое экранизирующее действие, находящее своё выражение в необходимости вычесть из Z некоторую величину σ.

Закон Мозли позволяет по измеряемой длине волны рентгеновских линий точно установить атомный номер данного элемента; он сыграл большую роль при размещении элементов в периодической системе.

к к к