s5_atomfiz_exam_nah_book

Глава 15. Рентгенівські промені

джуються електрони mv2/2 = h - e - eVi. Ця особливість фотоелектронної емісії використовується в електронній спектроскопії для хімічного аналізу (ЕСХА).

6.при поглинанні рентгенівських променів, крім флуоресценції та рентгенівського фотоефекту, може відбуватись автоіонізація або оже-електронна емісія. Оже-електронна емісія переважає над флуоресценцією в речовинах із малими атомними номерами Z, тоді як при великих Z переважає рентгенівська флуоресценція.

15.3.Оже-ефект

У1925 р. Пьєр Віктор Оже (P. Auger) - французький фізик вивчав процеси виникнення електронів при поглинанні жорсткого рентгенівського випромінювання атомами криптону. Фотографуючи треки виникаючих електронів у камері Вільсона, Пьєр Оже звернув увагу, що іноді з однієї точки виходять сліди не одного, а двох електронів. Це явище назвали Оже-ефектом.

В оже-ефекті енергія кванта h поглинається, наприклад, електроном К-шару. У К-шарі виникає електронна вакансія (дірка). Вона заповнюється електроном із верхніх оболонок, наприклад, з LII- оболонки. Енергія, яка при цьому виділяється, дорівнює ЕК - ELII. Ця енергія може бути передана іншому електрону без випромінювання через внутрішні ступені свободи цієї ж або іншої електронної оболонки (рис.15.9), на якій виникає друга вакансія (дірка), й атом стає двічі іонізованим. Якщо при цьому передана без випромінювання енергія достатня для фотоелектронної емісії, то з’явиться оже-

електронів із твердого тіла.

Таким чином, Оже-ефект або автоіонізація є процесом іонізації (емісії електронів) не за допомогою зовнішньої енергії, а за рахунок енергії збудження самого атома, яка передається електрону не через поглинання кванту, а через внутрішні зв’язки системи без випромінювання.

На відміну від фотоелектронів, енергія яких пропорційна енергії квантів, що їх збуджують, енергія оже–електронів не залежить від

Глава 15. Рентгенівські промені

h і визначається енергетичною структурою атомів. Кожний атом має свій набір значень ЕК, ЕLI, ELII,...eVi, тому він також матиме свій характерний набір кінетичних енергій для оже-електронів (mv20ж/2), що емітують. Це означає, що кожному різновиду атомів притаманний свій характерний для даного атома енергетичний спектр ожеелектронів. Вимірюючи енергетичний спектр оже-електронів, можна визначити природу атома, що поглинає рентгенівський квант і емітує оже-електрон. Оже-електронна емісія досить розповсюджене явище. Вона навіть більш інтенсивна, ніж рентгенівська флуоресценція атомів із малими атомними номерами Z. Оже-електронна емісія

знайшла широке застосування в оже-електронній спектроскопії для аналізу атомного складу речовини, що досліджується.

Рис.15.9. Схема збудження оже лінії: 1 – рентгенівський квант збуджує вакансію (і може збудити фотоелектрон 1*), 2- вакансія в К- шарі заповнюється електроном із L- шару, 3 – енергія без емісії кванту передається електрону на тій же (1) або іншій (2) оболонці, 4 – ожеелектрон, що емітує.

15.4.Висновки

1.Характеристичні спектр рентгенівських променів називаються характеристичними, бо однозначно характеризують атом. Їх особливості підтвердили: 1) - уявлення про подібний характер будови глибоких електронних оболонок атомів і 2) - справедливість моделі пояснення періодичної системи елементів.

2.Оскільки характеристичні спектри рентгенівських променів виникають при електронних переходах між периферичними оболонками й вакансією на оболонці глибокого шару,

Глава 15. Рентгенівські промені

то вони подібні до спектрів квазіодноелектронних атомів з екранованим ядром. Вони досить добре описуються зако-

ном Мозелі C Z a , де а - фактор екранування атом-

ного ядра, і збігається з видозміненою узагальненою форму-

3.Мультиплетність рентгенівських термів і характеристичних спектрів обумовлюється спін-орбітальною й обмінною взаємодіями.

4.Спектри поглинання рентгенівських променів смугасті. У межах смуги коефіцієнт поглинання пропорційний кубу довжини хвилі.

5.Краї смуг поглинання мають тонку структуру, яка визначається мультиплетністю рентгенівських термів, що виникає внаслідок спін-орбітальної і обмінної взаємодій.

6.Протяжна тонка структура країв смуг поглинання, яка спостерігається в рентгенівських спектрах поглинання речовини в конденсованій фазі, визначається енергетичним розподілом вільних електронних станів в конденсованому стані речовини.

7.Енергія квантів, що поглинається може викликати: зовнішній фотоефект, рентгенівську флуоресценцію та ожеелектронну емісію.

8.Характеристичні рентгенівські спектри, спектри поглинання, фотоефект і Оже-ефект використовуються на практиці для аналізу атомного складу речовини (ЕСХА – спектроскопія для хімічного аналізу, СПРП - спектроскопія поглинання рентгенівських променів, РФЕС –рентгенівська фотоелектронна спектроскопія, ОЕС – оже-електронна спектроскопія, тощо).

15.5.Контрольні запитання та вправи

1.Про що свідчать однакові закономірності рентгенівських спектрів атомів із різними атомними номерами?

2.Для якого елемента довжина хвилі рентгенівських променів К дорівнює1,785Å; 0,712Å?

3.Покажіть, що енергія рентгенівського К - кванта, який випромінює атом з атомним номером Z, дорівнює приблизно 10(Z - 1)2 eВ?

Глава 15. Рентгенівські промені

4. Покажіть, що частота рентгенівської лінії К елементів з атомним номером Z визначається формулою 34 cR (Z 1)2 , де R - ста-

ла Рідберга.

5.У чому причина дублетності рентгенівських термів?

6.Якою причиною визначається тонка структура країв смуг спектрів поглинання рентгенівських променів?

7.Який зв’язок між тонкою структурою країв смуг спектрів поглинання, критичних потенціалів та характеристичних спектрів рентгенівських променів?

8.Чи може відбуватись спонтанне рентгенівське випромінювання при переходах електронів із периферійних оболонок на незаповнені рівні f-оболонок лантанідів?

Тестові завдання

1. ЯКІ ЕЛЕКТРОНИ МОЖУТЬ ЗАПОВНЮВАТИ K –ШАР АТОМА, ІОНІЗОВАНОГО ПАДАЮЧИМ РЕНТГЕНІВСЬКИМ СВІТЛОМ З ЕНЕРГІЄЮ EK ?

1)s електрони верхніх шарів;

2)p електрони верхніх оболонок;

3)d електрони верхніх оболонок;

4)p електрони зі спіном, паралельним спіну „дірки” в K -

шарі;

5) p електрони зі спіном, антипаралельним спіну „дірки” в

K-шарі;

6)будь-який електрон з верхніх оболонок.

2.ПОЧИНАЮЧИ З ЯКОГО ЕЛЕМЕНТА ПЕРІОДИЧНОЇ

СИСТЕМИ СПОСТЕРІГАЮТЬСЯ РЕНТГЕНІВСЬКІ: А) K -серії, Б) L - серії?

Для елементів:

1) Li ; 2) Na ; 3) He ; 4) Cu ; 5) Mn .

3. СКІЛЬКИ КРИТИЧНИХ ПОТЕНЦІАЛІВ ЗБУДЖЕННЯ МАЄ M - СЕРІЯ, L - СЕРІЯ, K -СЕРІЯ?

Глава 15. Рентгенівські промені

4.ВКАЖІТЬ, ЯКА СТРУКТУРА ЛІНІЙ K -СЕРІЇ? 1) синглетна; 2) дублетна; 3) триплетна.

5.ВКАЖІТЬ ОСНОВНІ ВЛАСТИВОСТІ ХАРАКТЕРИСТИЧНИХ РЕНТГЕНІВСЬКИХ СПЕКТРІВ?

1)спектри лінійчасті;

2)спектри випромінювання і спектри поглинання зворотні;

3)частоти спектральних ліній залежать від заряду ядра;

4)мають характерну тонку структуру;

5)спектри залежать від того, в якому стані знаходиться атом (ізольований, в сполуці ,в середовищі);

6)спектри залежать від енергії іонізації атома;

6.ВКАЖІТЬ СПЕКТРАЛЬНІ СИМВОЛИ РЕНГЕНІВСЬКИХ ТЕРМІВ АТОМА, ЯКИЙ МАЄ НАСТУПНУ ЗБУДЖЕНУ ЕЛЕКТРОННУ

КОНФІГУРАЦІЮ: 1s1 2s2 2 p5 3s2 3p6 3d 9 4s2 4 p6 ?

7. ВИЗНАЧІТЬ ЧИСЛО СПЕКТРАЛЬНИХ ЛІНІЙ, ЗУМОВЛЕНИХ ПЕРЕХОДАМИ МІЖ L M ШАРАМИ З УРАХУВАННЯМ ТОНКОЇ СТРУКТУРИ РІВНІВ?

8. ЧОМУ ДОРІВНЮЄ ЕНЕРГІЯ ОЖЕ–ЕЛЕКТРОНА, ЯКЩО K – ШАР ІОНІЗОВАНИЙ КВАНТОМ З ЕНЕРГІЄЮ h ?

1)EK , де EK — енергія зв'язку електрона в K –шарі;

2)EK EL ;

3)(EK EL ) EL ;

4)(EK EL ) .

Глава 15. Рентгенівські промені

СЕЛЕКТИВНОГО ФІЛЬТРА ДЛЯ ВИДІЛЕННЯ K -ЛІНІЇ МАТЕРІАЛУ

АНОДА РЕНТГЕНІВСЬ-КОЇ ТРУБКИ?

1)значення довжин хвиль K , -ліній матеріалу анода;

2)значення Z матеріалу фільтра;

3)товщину фільтра.

4)коефіцієнт ослаблення фільтра;

5)коефіцієнт істинного поглинання для K -лінії;

6)положення K краю поглинання матеріалу фільтра;

7)положення границі гальмівного спектра для матеріалу фільтра.

10. ЯК МОЖНА ВИЗНАЧИТИ ЗАРЯД ЯДРА АТОМА, ВИВЧАЮЧИ ПРОЦЕСИ ВИПРОМІНЮВАННЯ, ПОГЛИНАННЯ ТА РОЗСІЮВАННЯ РЕНТГЕНІВСЬКИХ ПРОМЕНІВ?

Досліджуючи:

1)характеристичні емісійні спектри;

2)положення K -краю в спектрах поглинання;

3)тонку структуру K -лінії;

4)ефект Комптона;

5)розсіяння Томсона;

6)положення короткохвильової границі суцільного спектра.

Література

1.Матвеев А.Н. Атомная физика. Учеб. пособие для студентов ву-

зов.- М.: Высш. шк.-1989.- 489с. ( §41-43, 52).

2.Сивухин Д.В. Атомная и ядерная физика.: Учеб. Пособие.Часть 1. Атомная физика.- М.: Наука, Гл.ред. физ. мат. лит. - 1986. – 416с. (§49).

3.Белый М.У., Охрименко Б.А. Атомная физика. - К.: Вища шк.,

Гол. из-во,1984. –271с. ( §5,6).

4.Шпольский Э.В. Атомная фізика.Том 1. - М.: Из-во “Наука”. – 1974. –575с. (§81-86).

5.Гайда Р.П. Атомна фізика.- Львів. –1965. – 356с. (§49).

Глава 15. Рентгенівські промені

6.Ландау Л.Д. и Лифшиц Е.М. Квантовая механика. Книга 2. Из.-

во „Наука.- М.: – 1972. - 368 с., ил. (§53).

Задачі та вправи

1.Харченко Н. П., Прокопенко О. В., Карлаш Г. Ю. Атомна фізика в задачах. Академдрук, - 2007. – 336с. (розділ 9. Рентгенівські спектри).

Глава 16. Магнітні властивості атомів

Глава 16. МАГНІТНІ ВЛАСТИВОСТІ АТОМІВ

«Всяка плідна гіпотеза кладе початок дивовижному виверженню потоку непередбачених відкриттів».

А. Бріллюен

16.1. Орбітальний та спіновий магнетизм. Магнетон бора. 16.2. Сумарний магнітний момент кількості руху. Множник Ланде. 16.3. Просторове квантування. 16.4. Гіромагнітні ефекти. 16.5. Досліди Штерна й Герлаха. 16.6. Сучасні методи визначення атомних магнітних моментів. 16.6.1. Електронний парамагнітний резонанс (ЕПР). 16.6.2. Над тонка структура ліній ЕПР. 16.6.3. Резонансний метод Рабі дослідження магнітних моментів атомних ядер. 16.6.4. Ядерний магнітний резонанс (ЯМР). 16.7. Значення магніторезонансних методів визначення атомних магнітних моментів. 16.8. Висновки. 16.9. Контрольні запитання та вправи, тестові завдання. Література.

16.1. Орбітальний та спіновий магнетизм. Магнетон Бора

Раніше (4.21*) і (8.40) вже було отримано для електрона, у якого е<0, співвідношення при e e

Тут L - момент кількості руху, а М - магнітний момент, що дорівнюють:

де g - гіромагнітний фактор. Знак мінус у (16.1) означає, що для від’ємно зарядженого електрона вектори магнітного і механічного моментів антипаралельні. Такі самі вирази для електрона були отримані у квантовій механіці, де

Глава 16. Магнітні властивості атомів

Тут B e 2m0c 9,2741 10 21 [ерг×Гс-1] - магнетон Бора. У цій гла-

ві всі співвідношення записані в системі одиниць СГС у її гауссівській формі. Зовнішнє магнітне поле в системі одиниць СГС познача-

де S r2 sin2 - площа, котру обтікає струм dI. Струм у квантовій механіці визначається хвильовою функцією n,l,m за формулою (7.32)

Оператор в сферичних координатах залежить від r, ,

Глава 16. Магнітні властивості атомів

________________________________________________________________

У попередніх главах було показано, що без урахування релятивістських поправок взаємний зв'язок між магнітним і власним кутовим моментами мікрочастинок описується за допомогою гіромагнітних факторів - відношень магнітного моменту частинки до її механі-

чного моменту. Атомні гіромагнітні фактори або g-фактори називаються множниками Ланде. Вони характеризують розщеп-

лення енергетичних рівнів атома в магнітному полі в одиницях ВB тому називаються ще й факторами спектроскопічного розщеплення. Розрізняють три фактори Ланде для електронів: gL для орбітального (кутового) моменту, gS для спіна й gJ для повного (сумарного) моменту кількості руху електрона у атомі. Для орбітального моменту gL = 1, для спінового - gs = 2. Множник Ланде для сумарного моменту електрона gJ треба знаходити за формулою, що буде доведена нижче.

16.2. Сумарний магнітний момент кількості руху. Множник Ланде

Розглянемо випадок нормального (рассел-саудерівського)

зв’язку. Сумарний кутовий момент Lj є векторною сумою спінового

LS і орбітального L моментів