 |
Характеристическое рентгеновское излучение
|
|
|
|
Исследование спектров вторичных рентгеновских лучей позволило обнаружить, что при достаточно большом ускоряющем напряжении между электродами рентгеновской трубки в спектре рентгеновских лучей на фоне непрерывной составляющей появляются узкие пики высокой интенсивности (Рисунок 4). Эти пики называются рентгеновскими спектральными линиями (по аналогии с оптическими спектральными линиями). В экспериментах было установлено, что расположение спектральных линий на оси длин волн определяется элементным составом материала анода. При этом каждому химическому элементу соответствует определенный индивидуальный набор длин волн линейчатого рентгеновского спектра. Существенно, что численные значения этих длин волн не зависят от вида химического соединения, в который входит данный химический элемент. По этой причине рентгеновское излучение, имеющее линейчатый спектр, называется характеристическим рентгеновским излучением (ХРИ). Этим рентгеновские линейчатые спектры принципиально различаются от оптических спектров атомов, которые существенно изменяются при объединении атомов в молекулы. Линейчатый рентгеновский спектр, в отличие от атомных оптических спектров, состоит из небольшого числа резких пиков, которые объединяются в серии по близости значений длин волн.
Рисунок 4 – Спектр характеристического рентгеновского излучения
Самая коротковолновая серия ХРИ называется К-серией. Для большинства химических элементов хорошо разрешаются 3 пика этой серии: Кα, Кβ, Кγ, где греческие буквы расставлены в порядке убывания интенсивности спектральных линий. В линейчатых рентгеновских спектрах присутствует также более длинноволновая L-серия спектральных линий. Для любого химического элемента длины волн L-серии в несколько раз больше, чем длины волн К-серии. Интенсивность линий L-серии, как правило, меньше, чем интенсивность линий К- серии того же химического элемента, находящегося в тех же условиях эксперимента.
|
|
|
Эмиссия рентгеновского излучения – это явление, обусловленное возбуждением внутренних оболочек падающими, электронами. Электрон с внутренней оболочки переходит на более высокий энергетический уровень под действием высокоэнергетических электронов, вакансия на внутренней оболочке заполняется электроном с более высокого энергетического уровня, что приводит к эмиссии характеристического рентгеновскою излучения с энергией, равной разности энергий этих двух энергетических уровней (Рисунок 5).
Рисунок 5 – Механизм возникновения характеристического рентгеновского излучения.
Необходимой причиной образования ХРИ является образование вакансий во внутренних электронных оболочках атома. Ускоренные электроны с высокой энергией проникают во внутренние области атома и взаимодействуют с электронами внутренних оболочек. В квантовой механике доказано, что вероятность взаимодействия электрона-снаряда и внутреннего электрона атома растет с увеличением плотности пространственного распределения электронной плотности, т.е. с величиной квадрата модуля волновой функции одноэлектронного состояния |Ψ|2. Следовательно, наиболее вероятным будет взаимодействие электрона-снаряда с электронами оболочки 1s, у которого главное квантовое число n = 1. Если при этом кинетическая энергия электрона, бомбардирующего атом, превышает энергию связи внутреннего электрона, то последний может оторваться от атома. Произойдет ионизация атома на электронном К-слое, и в электронной оболочке 1s образуется вакансия. При ионизации атом получает энергию, равную энергии связи удаленного электрона, и поэтому атом переходит в возбужденное состояние. Возбуждение атома может сняться путем заполнения вакансии электроном из другой оболочки, обладающей большей энергией, а разность энергий может быть унесена из атома фотоном. Энергия такого фотона Eν дается уравнением сохранения энергии:
|
|
|
Eν=En2-En1 (5)
где Еn2 и En1 – энергии стационарных состояний, между которыми произошел переход. При этом энергия атома уменьшится на разность энергий верхнего и нижнего стационарных состояний. Так как каждый атом обладает определенным дискретным набором одноэлектронных стационарных состояний, то спектр испускаемых фотонов имеет линейчатый вид. Таким образом, ХРИ образуется радиационными переходами электронов при заполнении вакансий во внутренних электронных оболочках.
Рассмотрим механизм образования отдельных серий ХРИ. Пусть вакансия образовалась в первом электронном слое (с главным квантовым числом n = 1). Тогда становятся возможными переходы электронов из более высокоэнергетических электронных слоев (с главными квантовыми числами n>1) в образованные вакансии. При этих переходах будут генерироваться характеристические линии К-серии. Энергетическая схема образования К-серии приведена на Рисунке 6. Очевидно, что каждой линии соответствует переход из очередного электронного слоя.
Квантомеханические расчеты показывают, что вероятность радиационных переходов в вакансию К-слоя резко уменьшается с увеличением главного квантового числа верхнего электронного слоя. Иначе говоря, интенсивность Кβ – линии значительно меньше интенсивности Кα–линии, а интенсивность Кγ – линии гораздо меньше интенсивности Кβ – линии.
Рисунок 6 - Схема образования спектральных линий характеристического рентгеновского излучения K-серии, L-серии и М-серии.
Ясно, что число спектральных линий в спектральной серии характеристического рентгеновского излучения в принципе определяется количеством электронных слоев атома, содержащих электроны. Но с ростом квантового числа n энергии слоев сближаются, и отдельные спектральные линии могут уже не разрешаться рентгеновским спектрометром. Так как для образования К-серии необходимо создание вакансии в электронном К-слое, то очевидно, что пороговое напряжение возбуждения К-серии определяется энергией связи электронов этого слоя.
|
|
|
eUк = E1 (6)
Если ускоряющее напряжение рентгеновской трубки недостаточно велико (eU < E1), то характеристическая К-серия не может возникнуть. Но если при этом eU > E2, то возникают вакансии в оболочках второго электронного слоя. Заполнение этих вакансий переходами электронов из более высокоэнергетических слоев (с главными квантовыми числами n > 2) приводит к генерированию L-серии ХРИ. Переходы в вакансию из слоев с главными квантовыми числами n = 3, 4,..., генерируют спектральные линии Lα, Lβ и т.д.
После заполнения вакансии вследствие электронного перехода возникает новая вакансия в более высоком энергетическом электронном слое. Следовательно, возникают условия для генерирования спектральной линии ХРИ более длинноволновой серии. Таким образом, электронные вакансии перемещаются из слоя в слой вверх по оси энергий. При этом может испускаться каскад спектральных линий ХРИ различных серий, атом в результате остается в ионизованном состоянии. Поскольку характеристическое рентгеновское излучение имеет конкретную энергию, соответствующую каждому элементу, то, измеряя энергию пика излучения, можно проводит идентификацию элементов. При этом, измеряя интегральную интенсивность пика, можно определить количественное содержание данных элементов в веществе. Спектры разных элементов имеют сходный характер. При увеличении атомного номера Z весь рентгеновский спектр лишь смещается в коротковолновую часть, не меняя своей структуры (Рисунок 7).
Спектральные исследования рентгеновских лучей позволили обнаружить монотонные зависимости длин волн характеристических линий от порядкового химического номера элемента Z. Тщательные измерения длины волн спектральной линии Kα для 33-х химических элементов и последующая аппроксимация результатов дали эмпирическую формулу, связывающую длину волны λKα с номером Z.
|
|
|
Соотношение (7), называемое законом Мозли позволяет выразить порядковый номер Z химического элемента через измеренную длину волны λKα спектральной линии Кα характеристического рентгеновского излучения этого элемента.
Для спектральных линий других серий ХРИ Г.Мозли получил приближенные соотношения, аналогичные формуле (7). Различие заключалось лишь в величине констант С и a, входящих в формулу. Но при этом для всех спектральных линий наблюдалась линейная зависимость между атомным номером химического элемента и величиной 1/λ1/2.
Вывод
В данном реферате была показана природа возникновения рентгеновского излучения. Мы выяснили принципиальные отличия природы возникновения тормозного и характеристического рентгеновского излучения. Показали зависимость их спектров от различных характеристик.
Список литературы
1. Савельев И. В. Курс общей физики. В 5 кн. Кн. 5. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц: Учеб. пособие для втузов – М.: ООО «Издательство Астрель»: ООО «Издательство АСТ», 2002. -368 с.
2. Сивухин Д. В. Общий курс физики: Учеб. Пособие для вузов. В 5 т. Т.V. Атомная и ядерная физика – 3-е изд. Стер. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. – 784 с.
3. А.В. Пирогов, Н. В. Малехонова, А.И. Бобров, Н.О. Кривулин,
Д.А. Павлов ЭНЕРГОДИСПЕРСИОННАЯ РЕНТГЕНОВСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ ЭЛЕКТРОННОЕ: УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ под редакцией профессора Д.А. Павлова. Нижний Новгород, 2014
|
|
|
