Рентгеновские спектры атомов

Частоты излучения, испускаемого атомами, лежат в очень широком интервале от частот инфракрасного излучения до частот рентгеновско­го излучения. Электромагнитное излучение оптического спектра частот возникает при переходе одного из внешних (оптических) электронов из возбужденного состояния в основное. Квант характеристического рент­геновского излучения рождается при переходе электрона в один из вну­тренних слоев атома, когда там имеется свободное состояние.

Рентгеновское излучение создается в специальных рентгеновских труб­ках при бомбардировке антикатода электронами высоких энергий (см. рис. 17.5). Рентгеновское излучение, возникающее при торможении элек­тронов в веществе, имеет сплошной спектр частот, который не зависит от материала антикатода. Когда энергия бомбардирующих антикатод элек­тронов достаточно велика, некоторые из них, сталкиваясь с атомами, выбивают электроны из их внутренних слоев. Спустя некоторое время на освободившееся место переходит электрон из слоя большего радиуса. При таких переходах атом испускает кванты рентгеновского излучения, частоты которого характерны только для данного атома. Спектральные линии характеристического рентгеновского излучения видны на фоне сплошного спектра тормозного излучения (см. рис. 17.6). Рентгеновские спектры атомов в отличие от их оптических спектров имеют простое и одинаковое для всех атомов строение. Они состоят из нескольких серий, которые обозначают буквами К, L, М и т.д. Каждая серия содержит не­большое число линий, обозначаемых в порядке убывания длины волны индексами α, β, γ,..., которые пишут у символа серии: K_α, K_β …, L_α, L_β,...

Английский физик Генри Мозли открыл в 1913 г. закон, связывающий частоту какой-либо линии характеристического рентгеновского излуче­ния с порядковым номером Z испускающего это излучение атома:

(21.57)

где величина σ имеет одно и то же значение для всех линий одной серии, величина С для каждой линии принимает свое значение, но для всех атомов Одинаковое, т.е. не зависящее от порядкового номера. Для всех линий К-серии σ = 1, для линий L-серии σ = 7,5.

Рассмотрим один из электронов атома, который находится в слое под номером п. Воздействие на этот электрон со стороны других электро­нов можно приближенно оценить, если учесть, что электронные облака имеют почти сферически симметричную форму. Как известно из элек­тростатики, электрическое поле внутри заряженной сферы отсутству­ет, а вне сферы оно такое же, как поле точечного заряда. Поэтому на рассматриваемый электрон будут оказывать воздействие только те элек­троны атома, которые находятся в одном с ним слое или в слоях мень­шего радиуса. Пусть число таких электронов равно σ_n. Тогда можно считать, что рассматриваемый электрон движется в кулоновском поле заряда e (Z – σ_n). В таком случае энергию этого электрона с учетом формулы (21.32) можно представить в виде

(21.58)

Уровни энергии электрона, описываемые этой формулой, показаны на рис. 21.6.

Формула (21.58) приводит к следующему выражению для спектра ча­стот характеристического рентгеновского излучения:

Если приближенно положить здесь , то придем к формуле

(21.59)

которая выражает собой закон Мозли.

Рис. 21.6. Схема энергетических уровней, соответствующих различ­ным электронным слоям атома. Стрелки обозначают переходы элек­тронов из одного состояния в другое,

Линия K_α рентгеновского излучения испускается атомом при переходе электрона из L-слоя (n ₂ = 2) в К- слой (n ₁ = 1). Для частот K_a- линии формула (21.59) принимает вид

На законе Мозли основан простой метод определения порядкового но­мера элемента в таблице Менделеева. Так, например, измерив частоту K_α -линии рентгеновского излучения, испускаемого каким-то атомом, по формуле (21.60) можно вычислить порядковый номер Z этого атома.

Рис. Диаграмма Мозли

6. Физический смысл появления линейчатых характеристических рентгеновских спектров был выяснен в боровской теории атома.

Как мы видели в § 14.5, в атомах с большим атомным номером Z внутренние электронные оболочки К, L, М и другие полностью заполнены электронами. При удалении электрона с одной из внутренних оболочек на освободившееся место переходит электрон из более удаленной от ядра оболочки и излучается рентгеновский фотон. Если, например,

электрон удаляется из самой внутренней /(-оболочки атома под действием налетающего на атом электрона или первичного жесткого излучения, то на его место может перейти электрон с L-, М-, N- оболочек и др. Такой переход связан с испусканием фотонов с определенной энергией и возникновением линий рентгеновской /(-серии. Очевидно,

что для вырывания электрона из /(-оболочки, наиболее близкой к ядру, где электроны испытывают наибольшее к ядру притяжение, требуется затрата значительной энергии — работы вырывания электрона.

Энергия налетающего электрона или первичного налетающего фотона должна быть по крайней мере равна этой работе. Поэтому для каждого атома существует определенная граница возбуждения /(-серии.

Например, для ртути (Z—8Q) она составляет около 82 кэВ. Переходу электрона с L-оболочки на /(-оболочку соответствует самая длинноволновая линия Ка /(-серии рентгеновского характеристического излучения. Линия К$ соответствует переходу электрона из М-оболочки на /(-оболочку, линия- Кч — переходу из yV-оболочки на /(-оболочку.

Совокупность линий Ка, К& и Ку образует /(-серию. Частоты линий возрастают при переходе от линий Ка к /(р и /С7. Это связано с увеличением энергии, высвобождающейся при переходе электрона на /(-оболочку со все более удаленных оболочек. Наоборот,

интенсивности линий убывают при переходе от линии Ка к линиям К& и К7, так как вероятность переходов на /(-оболочку с/.-оболочки больше, чем с М-, N- оболочек и

других, более удаленных. Линии серий L, М и т. д. характеристического рентгеновского

излучения испускаются при освобождении «вакантного» для электрона места соответственно на L-, М-, N- оболочках и т. д. Так, при переходе электрона на jL-оболочку из М-оболочки возникает линия La, из JV-оболочки— линия Lp и т. д. Все переходы, заканчивающиеся на L-оболочке, соответствуют линиям L-серии характеристического рентгеновского излучения. Общие закономерности, отмеченные для /(-серии, остаются справедливыми для L-серий и др.

Для серий характеристических спектров справедлив комбинационный принцип Ритца, установленный для оптических спектров (см. § 13.3).

На рис. 14.9 схематически представлено возникновение различных серий характеристического рентгеновского излучения.

7. Г. Мозли, исследуя A913) зависимость длин волн линии /(«

ГЛАВА 22