3.2.6. Рентгенівські спектри

П

Рис. 3.10

ри не дуже великих енергіях електронів, що бомбардують антикатод рентгенівської трубки, виникає лише гальмівне випромінювання, яке має суцільний спектр і не залежить від матеріалу антикатода. При підвищенні прискорюючої напруги на рентгенівській трубці до значення, більшого за деяке критичне, що залежить від матеріалу антикатода, на фоні суцільного спектра виникають лінійчасті спектри. Оскільки лінійчастий рентгенівський спектр визначається природою речовини, з якої виготовлено антикатод, то його називають характеристичним. На відміну від лінійчастих спектрів розріджених газів, які також характеризують речовину, кожний хімічний елемент дає характеристичне рентгенівське випромінювання, яке не залежить від того, чи атоми вільні, чи входять до складу хімічних сполук.

Спектральні лінії утворюють серії. Їх позначають буквами K, L, M, N, O і так далі відповідно до позначень електронних шарів у атомі (див. 3.2.5). Кожна серія має невелику кількість ліній, які позначають у порядку зменшення довжини хвилі індексами α, β, γ,... (К_α, К_β, К_γ,...; L_α, L_β, L_γ,... і т. д.) З усіх серій рентгенівських спектрів найпростішою за своєю структурою є K-серія. Здебільшого вона складається з трьох ліній: К_α, К_β, К_γ. Найбільшу інтенсивність і найбільшу довжину хвилі має К_α-лінія.

Л

Рис. 3.11

інійчасті рентгенівські спектри різних речовин подібні між собою. При збільшенні атомного номера Z речовини антикатода весь рентгенівський спектр лише зміщується в короткохвильову частину спектра, не змінюючи своєї структури (рис 3.10). Це можна пояснити тим, що лінійчасті рентгенівські спектри утворюються внаслідок переходів електронів у внутрішніх шарах атомів, подібних між собою за будовою. Механізм виникнення лінійчастих спектрів можна уявити таким. Якщо під впливом падаючих електронів високих енергій на атоми анода вибивається один із двох електронів K-шару, то звільнене місце може зайняти електрон з якого-небудь зовнішнього шару (L, M, N і т. д.). При цьому виникає K-серія. Аналогічно виникають і інші серії. K-серія завжди супроводжується появою інших серій, оскільки при випромінюванні її ліній звільняються енергетичні рівні в шарах L, M і т. д, які будуть в свою чергу заповнюватися електронами з більш високих шарів. Схема виникнення спектральних серій показана на рис. 3.11.

Англійський фізик Г. Мозлі (1887-1951) в 1913-14 рр. встановив закон, який виражає зв'язок частоти спектральної лінії ω з атомним номером Z елемента, що випромінює ці лінії:

. (3.41­)

У законі Мозлі (3.41) σ — деяка стала величина в межах однієї серії для всіх елементів, але змінюється при переході від однієї серії до іншої. За експериментальними вимірами Мозлі σ = 1 для K-серії і σ = 7,5 для L-серії. Величину σ називають сталою екранування. Величина С має своє значення для кожної лінії, однакове для всіх елементів.

Лінійна залежність у законі Мозлі між величиною і зарядом числа Z дала можливість за визначеною експериментально довжиною хвилі випромінювання (нагадуємо, що ) точно розмістити елементи в періодичній системі елементів. На основі цього закону вперше було показано, що не атомна маса, а зарядове число визначає хімічні властивості атомів.

Мозлі запропонував просте тлумачення виявленого ним закону. Він встановив, що для К_α-лінії константа С в формулі (3.41) має значення, що дорівнює , де R — стала Рідберга. Отже для К_α-лінії залежність (3.41) можна записати у вигляді:

(3.42)

Лінія такої ж частоти виникає при переході електрона, що знаходиться в полі заряду , з рівня n = 2 на рівень n = 1.

Для інших ліній формулі (3.41) можна надати вигляду:

, (3.43)

де σ в межах однієї і тієї ж серії є сталою.

Зміст сталої σ полягає в наступному: електрони, що виконують перехід при випромінюванні рентгенівських променів, знаходяться під дією ядра, притягання якого дещо послаблене дією інших електронів, що оточують ядро. Ця так звана екрануюча дія зумовлює необхідність відняти від Z деяку величину σ.

На будь-який електрон одного з внутрішніх шарів, електрони, що знаходяться дальше від ядра, діють слабко, оскільки створене ними поле в середньому дорівнює нулю (поля всередині зарядженої сферичної поверхні немає). Тому внутрішні електрони знаходяться в основному лише під дією поля ядра і найближчих до ядра електронів. Отже, поправка σ зумовлена наявністю більш глибоких електронів і слабким збуренням інших електронів.

Формула (3.41) не є достатньо точною. Вона базується на припущені, що стала екранування σ для обох термів у формулі (3.43) має одне й те ж значення. Насправді ж екранування, наприклад, для K-терму буде слабшим, ніж для L-терму. З урахуванням цих зауважень формулу (3.43) варто записати у вигляді:

. (3.44)

Таким чином, частоту лінії рентгенівських спектрів можна визначити через різницю двох термів.

Дослідження характеристичних променів за допомогою прецизійних рентгенівських спектральних приладів показує, що крім основних ліній біля них виникають додаткові лінії малої інтенсивності. Ці лінії називають супутниками. Їх вивчення дає досить цінну інформацію про внутрішньоатомні процеси.