Характеристическое рентгеновское излучение. Атомные рентгеновские спектры.

Увеличивая напряжение на рентгеновской трубке, можно заметить на фоне сплошного спектра появление линейчатого, который соответствует характеристическому рентгеновскому излучению (рис. 5.1). Он возникает вследствие того, что ускоренные электроны проникают в глубь атома и из внутренних слоев выбивают электроны. На свободные места переходят электроны с верхних уровней (рис. 1), в результате высвечиваются фотоны характеристического излучения. То есть, для возбуждения рентгеновского характеристического излучения необходимо удалить электрон (электроны) из внутренних оболочек атома исследуемого образца. Это можно осуществить разными способами: рентгеновским излучением (фотонными пучками), ионными и электронными пучками, источниками радиоактивного излучения быстрых частиц (например, альфа-частиц) и, наконец, за счет процессов взаимодействия атомных электронов с ядром.

Каждый из перечисленных методов имеет свои преимущества и недостатки, имеющие значение для профессиональных исследований.

В отличие от оптических спектров характеристические рентгеновские спектры разных атомов однотипны. На рис. 5.2 показаны спектры различных элементов. Однотипность этих спектров обусловлена тем, что внутренние слои у разных атомов одинаковы и отличаются лишь энергетически, так как силовое воздействие со стороны ядра увеличивается по мере возрастания порядкового номера элемента. Это обстоятельство приводит к тому, что характеристические спектры сдвигаются в сторону больших частот с увеличением заряда ядра. Такая закономерность видна из рис. 5.2 и известна как закон Мозли(о нем поговорим позднее)

Есть еще одна разница между оптическими и рентгеновскими спектрами.

Характеристический рентгеновский спектр атома не зависит от химического соединения, в которое этот атом входит. Так, например, рентгеновский спектр атома кислорода одинаков для О, O₂ и Н₂О, в то время как оптические спектры этих соединений существенно различны. Эта особенность рентгеновского спектра атома послужила основанием для названия характеристическое.

Характеристическое излучение возникает всегда при наличии свободного места во внутренних слоях атома независимо от причины, которая его вызвала.

Рис. 5.2

Закон Мозли

При возрастании зарядового числа Z на единицу рентгеновский характеристический спектр элемента сохраняет свой вид; происходит лишь незначительное смещение всех рентгеновских линий в сторону более коротких волн. Эта особенность рентгеновских спектров впервые была обнаружена экспериментально Мозли в 1913 г. и истолкована им на основе теории Бора. Мозли систематически исследовал K- и L- серии рентгеновского излучения 38 различных элементов.

На рис. 6 воспроизведена фотография К – серии различных элементов, полученная Мозли. Спектры различных элементов расположены относительно друг друга так, что расстояние каждой линии от левого края рисунка приблизительно пропорционально длине волны этой линии. Сами элементы расположены в порядке возрастания атомных номеров от кальция (Z=20) до цинка (Z=30), входящего в состав латуни. Замечательна регулярность, с которой возрастает частота характеристического К – излучения с возрастанием атомного номера элемента. Такой же регулярностью отличаются и изменения частот L -, M – и N – линий характеристического излучения при переходе от одного элемента к следующему. Например, из рис. 6 сразу видно, что между кальцием и титаном пропущен элемент с атомным номером Z=21. Это – скандий, предсказанный Менделеевым и открытый в 1989 г. Нильсоном и Клеве.

Исследования Мозли впервые экспериментально показали, что основной величиной, определяющей место элемента в периодической таблице, является не атомная масса, а атомный номер элемента. Характеристические рентгеновские спектры позволяют однозначно определять атомные номера элементов и таким образом судить, заполнены ли в периодической таблице все места или должны существовать ещё не открытые элементы. Уже сам Мозли оставил место под номером 43 для неизвестного в то время элемента, полученного позднее искусственно и названного технецием.

Мозли экспериментально установил, что квадратный корень из частоты колебаний данной линии К–серии в зависимости от атомного номера элемента Z выражается плавной кривой, очень близкой к прямой, линией:

, (5)

где М и – постоянные. Та же формула, но с другими числовыми значениями М и , справедлива и для L-серии, а также для последующих серий M, N, O. Эта эмпирическая формула называется законом Мозли. Она и определяет смещение характеристических рентгеновских спектров при переходе от одного элемента к следующему. Последующие более точные измерения обнаружили некоторые отступления от простой линейной зависимости. Впрочем, эти отступления для К- и L- серий не являются сколько-нибудь значительными, а становятся заметными лишь для M-, N- и O-серий.

Строгое доказательство и установление точности закона Мозли дать невозможно, так как этот вопрос сводится к проблеме многих тел. Можно дать лишь грубую интерпретацию закона Мозли, сведя проблему многих тел к одноэлектронной задаче. Это приводит к вполне удовлетворительным результатам, в особенности для К- и L- серий, а главное – устанавливает физический смысл постоянных, входящих в формулу. Так при решении такой упрощенной задачи, обнаружили, что эффективный заряд ядра можно считать равным (Z - , где постоянная называется постоянной экранирования. Точное значение постоянных экранирования следует определять экспериментально.

Частоты излучаемых линий будут определяться формулой:

(6)

где R – постоянная Ридберга. Отсюда и получается формула закона Мозли, так как для рассматриваемой линии квантовые числа n₁ и n₂ фиксированы.

Заметим, что формула (6) основана на допущении, что постоянная экранирования для обоих термов имеет одинаковое значение. На самом же деле экранирование, например, для К-терма будет слабее, чем для L-терма. Более строго формулу следовало бы писать в виде:

(7)

 

7. Список источников и литературы:

 

1. All-Физика, 2009-2016 Рентгеновское изучение и его применение в медицине//

http://www.all-fizika.com/article/index.php?id_article=1983

2. Изотов В.В., Аникеенок О.А., Дыганов А.Г Методическое пособие к лабораторным работам по атомной и ядерной физике «Рентгеновское излучение». Зеленодольск, 2007//

kpfu.ru/docs/F1775573745/Xrsr_zd.doc

3. Ремизов А. Н. Медицинская и биологическая физика: учебник – 4-е изд., испр. и перераб. – 2012. – 648 с.//

http://vmede.org/sait/?page=40&id=Medbiofizika_remizov_2012&menu=Medbiofizika_remizov_2012

4. 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.

5. 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.

⇐ Предыдущая12

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: