Характеристический спектр

При увеличении ускоряющего напряжения выше некоторого критического значении энергия электронов превышает энергию ионизации атомов мишени. При этом рентгеновское излучение возникает в веществе мишени, бомбардируемой пучком электронов, и на фоне непрерывного тормозного спектра появляются узкие интенсивные линии. Это излучение было открыто в 1906 г. английским физиком Ч. Баркла² и получило название характеристического, поскольку оно характеризует вещество (точнее, строение внутренних оболочек атомов вещества). Каждый элемент дает определенный, только ему присущий характеристический спектр, независимо от того, находится ли он в свободном виде или входит в состав химического соединения. От величины ускоряющего напряжения зависит лишь интенсивность линий, но не их положение. Спектр характеристического рентгеновского излучения (подобно оптическому) зависит от структуры возбуждаемых атомов мишени.

Энергия кванта характеристического рентгеновского излучения определяется переходом электрона с одного энергетического уровня в атоме (например, с уровня ) на другой энергетический уровень ( )

. (15)

С уменьшением номера соседних уровней возрастает разница энергий между ними. Следовательно, для получения характеристического рентгеновского излучения необходимо возбуждать внутренние оболочки атома. Если возбуждается К-оболочка, т. е. электрон выбивается с самого нижнего уровня, то излучается К-серия, если L-оболочка, то L-серия и т. д. На рис. 8 приведена схема наиболее интенсивных линий K- и L-серии. Для получения линий этих серий необходимо возбудить соответствующие атомные оболочки (орбитали), для этого в подавляющем большинстве случаев используется электронный пучок с энергией электронов, превышающей энергию ионизации (возбуждения) соответствующего уровня.

Рис. 8. Схема наиболее интенсивных линий

Механизм возникновения характеристического рентгеновского излучения можно представить следующим образом. Если энергия падающего на вещество электрона достаточно велика, он может передать свою энергию одному из электронов внутренних оболочек и выбить его из атома. В результате атом окажется в ионизированном возбужденном состоянии (наиболее низкое вакантное состояние имеет место тогда, когда вакансия окажется в К-оболочке (рис. 9)).

В это состояние может перейти электрон из менее глубокого слоя L, M, N и т. д. Разность энергий начального и конечного состояний электрона будет излучаться в виде фотона с энергией одной из линий характеристического излучения. При переходе с на – оболочку

Рис. 9. Механизм возникновения линий характеристического

рентгеновского спектра (боровская модель, радиусы орбит даны не в масштабе)

будет излучаться -линия, с M на -оболочку – излучается -линия и тому подобные линии -серии, граница которой соответствует переходу свободного (находящего вне атома) электрона с на вакантное место в K-слое. Переходы электронов на вакантное место в L-оболочке сопровождаются испусканием квантов L-серии и т. д.

Для выражение (15) будет иметь вид .

Характеристическое рентгеновское излучение (как и оптические спектры) зависит только от структуры атомов. Зависимость частоты характеристического излучения от порядкового номера элемента определяется законом Мозли³:

, (16)

где – постоянная Ридберга, – постоянная экранирования, зависящая от структуры атома, – главное квантовое число.

В соответствии с законом Мозли должен линейно меняться с увеличением , что полностью соответствует эксперименту. Естественно, зависимость из серий (K, L, M и т. д.) определяется различными прямыми.

Из (16) следует, что с увеличением атомного номера возрастает частота излучения, т.е. длины волн уменьшаются.

Для выбивания электрона с какого-либо энергетического уровня летящий к аноду электрон должен обладать достаточной кинетической энергией. Т.е., напряжение на трубке должно быть выше некоторой величины. Она должна быть, как минимум, равна разности энергии того уровня, с которого электрон выбит, и первого свободного от электронов уровня, на который выбитый электрон переходит. С другой стороны линия данной серии с наибольшей частотой возникает при последующем переходе электрона с самого верхнего уровня атома на освободившееся место во внутреннем уровне, т.е. должно выполниться равенство (6).

,

откуда следует, что > .

Уровни энергии в атомах немногочисленны, поэтому характеристические спектры просты. Поскольку внутренние электроны сильнее связаны с ядром, чем внешние, то потенциал возбуждения К-серии выше, чем , а выше, чем М.

Для целей рентгеноструктурного анализа в большей степени используются монохроматические Х-лучи. Часто это достигается естественным путем, т.к. линии К-серии значительно интенсивнее, чем линии остальных серий. Кроме этого срабатывает поглощение длинноволновых линий средой (стенками трубок), через которую они проходят.

В рентгеноструктурном анализе применяются трубки с анодами из . Они дают пучок лучей, содержащих практически и линии и очень слабое белое излучение. линии примерно в 5 раз интенсивнее, чем , поэтому чаще используют линию, а отсекают фильтром.

Выбор ограниченного числа анодов обусловлен тем, что элементы с меньшими атомными номерами дают линии с большими длинами волн, значительно поглощающиеся средой, а более тяжелые элементы дают слишком интенсивное белое излучение, приводящее к высокому фону на рентгенограммах.

Примерный вид спектра излучения Х-трубки представлен на рис.10. Интенсивность характеристической линии значительно выше интенсивности белого спектра.

Для возбуждения флуоресцентного рентгеновского излучения вместо пучка электронов может быть использовано и рентгеновское излучение с частотой, превышающей частоту возбуждаемого рентгеновского излучения.

Интенсивность рентгеновского излучения

Терминология

Из электродинамики интенсивность определяется амплитудой напряженности электрического или магнитного полей

. (17)

Из квантовой механики

. (18)

В рентгеноструктурном анализе интенсивностью пучка Х-лучей (приблизительно параллельных) называют поток энергии, проходящей за 1 секунду через 1см² поверхности, перпендикулярной к среднему лучу. Для плоской монохроматизированной волны интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды колебаний.

Интенсивность излучения, испускаемого источником, принимаемым за точечный, в данном направлении – это энергия, излучаемая за 1 секунду внутри единицы телесного угла (стерадиана), окружающего данное направление.