Особенности характеристического рентгеновского излучения
Баркла в своих опытах установил, что рентгеновское излучение, которое исходит из антикатода рентгеновской трубки, состоит из двух частей. Одна из таких частей -- тормозное излучение, которое возникает при торможении электронов в антикатоде. Свойство данного типа излучения совершенно не зависят от материала антикатода.
Спектр тормозного излучения при разложении по длинам волн является сплошным. По аналогии с белым светом его также называют белым рентгеновским излучением. В направлении длинных волн интенсивность тормозного излучения падает полого и по асимптоте стремится к нулю. Со стороны коротких длин волн сплошной спектр резко обрывается. Данная особенность сплошного рентгеновского спектра объясняется его квантовой природой. Граница коротких длин волн сплошного рентгеновского спектра определена выражением:
где $U$ -- напряжение на рентгеновской трубке. Коротковолновая граница не зависит от материала антикатода. Она определена напряжением на трубке. Относительное распределение энергии по длинам волн в спектре тормозного рентгеновского излучения от материала анода (антикатода) не зависит. Он влияет только на интегральную интенсивность излучения.
Если увеличивать напряжение выше некоторого определенного предела, то на сплошной спектр рентгеновского излучения накладывается система узких спектральных линий, которые относятся ко второму типу рентгеновского излучения -- характеристическому рентгеновскому излучению. И в этом случае коротковолновая граница рентгеновского спектра имеется, и она определена формулой (1). Существование данной границы является существенным проявлением корпускулярных свойств рентгеновского излучения.
Итак, характеристическое рентгеновское излучение обладает линейчатым спектром. Это значит, его спектр состоит из расположенных по определенному закону узких линий спектра. Длины волн данных линий зависят только от материала антикатода. В данном отношении линейчатый спектр характеристического рентгеновского излучения сравнивают со спектром газов в оптической области.
Электронная бомбардировка анода порождает и сплошное и характеристическое излучения. Бомбардировка $\alpha \ $-- частицами или протонами антикатода возбуждает исключительно характеристическое излучение. Рентгеновские лучи, которые испускает вещество при воздействии других рентгеновских лучей, составлены фрагментарно из рассеянного первичного пучка, частично из характеристического излучения самого вещества. Характеристическое излучение возникает только тогда, когда напряжение на рентгеновской трубке становится выше, чем некоторое определенное значение, которое зависит только от материала анода.
Характеристическим рассматриваемое рентгеновское излучение было названо потому, что в отличие от тормозного излучения характеризует вещество антикатода.
Любая линия характеристического рентгеновского излучения появляется как результат перехода атома с одного энергоуровня на другой. Линия такой частоты определена правилом частот Бора:
Рентгеновское излучение является излучением с очень короткими волнами, следовательно, разность энергий в начальном и конечном состояниях атома большая. Если мы имеем дело с тяжелыми элементами, то она может в сотни тысяч раз превосходить соответствующую разность в оптической части спектра. Данный факт указывает на то, что в рассматриваемом нами излучении квантовые переходы осуществляют внутренние, а не валентные атомные электроны. Для появления возможности внутренних переходов надо чтобы внутри электронной оболочки атома имелись места незаполненные электронами. На эти места смогли бы перейти электроны из других квантовых состояний атома. Подобные вакантные места возникают, если на атом воздействовать при помощи быстрых электронов, фотонов, обладающих высокой энергией или другими быстрыми частицами.
Характеристический спектр рентгеновского излучения состоит из серий линий. Серии обозначают латинскими буквами, начиная с $K$ ($K,L,M$,...). Серия $K$ появляется в результате перехода возбужденного атома с уровня $K$ на находящиеся ниже подуровни слоев $L,M$,.... Серия $L$ возникает при переходе с подуровней слоя $L$ и т.д.
Линии серии $K$ имеют дублетную структуру. Компоненты дублетов обозначают как $K_{{\alpha }_1},\ K_{{\alpha }_2};K_{{\beta }_1},\ K_{{\beta }_2};\dots $ Серии $L,M,N$ имеют мультиплетную структуру. Для обозначения линий мультиплетов используют греческие буквы и цифровыми индексами. Буква $\alpha $ означает, что переход был сделан с ближайшего слоя, буква $\beta $ говорит о том, что переход совершился со следующего за ближайшим слоя и т.д. Индексы из цифр при греческих буквах указывают нумерацию линий в порядке уменьшения длин волн.
Отличие характеристических рентгеновских секторов состоит в том, что они для разных элементов просты и однообразны в отличие от оптических линейчатых спектров. Это объясняется тем, что при переходе от одного элемента к следующему структура внутренних оболочек атома мало изменяется. При увеличении $Z$ элемента на один рентгеновский характеристический спектр сохраняет свой вид. При этом возникает только несущественное смещение всех рентгеновских линий в направлении коротких длин волн.
Характеристические спектры рентгеновского излучения дают возможность однозначно определять номера элементов в периодической системе. Что позволяет судить о полноте заполнения мест в периодической системе или есть еще неоткрытые элементы.
Длины волн характеристических рентгеновских лучей зависят исключительно от внутренней структуры атомных электронных оболочек. Что является атомным свойством элемента. Отсюда становится понятным, почему в сплавах и химических соединениях каждый элемент дает такой же характеристический спектр, какой был бы у него одного. Спектр соединения элементов является простым наложением спектров составляющих его компонент.
Мозли эмпирическим путем установил, что:
где $\nu $ -- частота колебаний линии $K$ -- серии, $Z$ -- атомный номер элемента, $\sigma $ -- некоторая постоянная экранирования, $M$ постоянная. Выражение (3) показывает, что $\sqrt{\nu }$ представляется в виде плавной кривой, близкой к прямой линии. Формула (3) будет справедлива для других серий $(L,M,L...)$, но с другими численными значениями величин $M\ {\rm и}\ у$. Выражение (3) называется законом Мозли. Данное выражение определяет смещение характеристических спектров при переходе от одного элемента к другому. Более точные исследования обнаружили, что отступления от линейной зависимости (3) для серий $K$ и $L$ крайне не существенны и становятся заметны только для последующих серий.
Примеры задач
Сформулируйте самые значимые отличительные черты спектров характеристического рентгеновского излучения.
Решение:
- Линейчатые спектры характеристического рентгеновского излучения просты и однообразны в сравнении с оптическими линейчатыми спектрами.
- Если атомный номер элемента увеличивается, то линейчатые спектры рентгеновского излучения монотонно смещаются в коротковолновую сторону.
- Длины волн характеристических рентгеновских лучей зависят исключительно от внутренней структуры атомных электронных оболочек. Линейчатые рентгеновские спектры различных элементов не изменяются, если изучаемый элемент соединяется с другим элементом.
- Линейчатые рентгеновские спектры имеют несколько серий, которые называют: $K,L,M,...$ сериями. Каждая серия составлена из небольшого количества линий, например: $K_{\alpha },\ K_{\beta },K_{\gamma },\dots ,L_{\alpha },\ L_{\beta },L_{\gamma },\dots $. При этом длины волн линий убывают.
Объясните, в чем принципиальное отличие оптических линейчатых спектров от спектра характеристического рентгеновского излучения.
Решение:
Оптические линейчатые спектры атомов определены поведением валентных электронов. Так, при образовании химических связей состояние внешних электронов изменяется, что не может не сказаться на оптическом спектре.
Рентгеновские линейчатые спектры являются индивидуальной характеристикой атома, которая показывает природу характеристического рентгеновского излучения. Оно возникает при процессах, которые происходят во внутренних заполненных слоях атомов, которые не изменяются при вступлении элементов в химические реакции. Так, в сплавах и химических соединениях каждый элемент дает такой же характеристический спектр, какой был бы у него одного. Спектр соединения элементов является простым наложением спектров составляющих его компонент.
