§ 38. Рентгеновские спектры

В § 8 мы уже отмечали, что имеется два вида рентгеновского излучения — тормозное и характеристическое. При не слишком больших энергиях бомбардирующих антикатод электронов наблюдается лишь тормозное излучение, обладающее сплошным спектром и не зависящее от материала антикатода. Когда энергия бомбардирующих электронов становится достаточной для вырывания электронов из внутренних оболочек атома, на фоне тормозного излучения появляются резкие линии характеристического излучения. Частоты этих линий зависят от природы вещества, из которого изготовлен антикатод (по этой причине излучение и называется характеристическим).

Рентгеновские спектры отличаются заметной простотой. Они состоят из нескольких серий, обозначаемых буквами К, L, М, N и О.

Каждая серия насчитывает небольшое число линий, обозначаемых в порядке возрастания частоты индексами и т. д.). Спектры разных элементов имеют сходный характер. При увеличении атомного номера Z весь рентгеновский спектр лишь смешается в коротковолновую часть, не меняя своей структуры (рис. 38.1). Это объясняется тем, что рентгеновские спектры возникают при переходах электронов во внутренних частях атомов, которые (части) имеют сходное строение.

Схема возникновения рентгеновских спектров дана на рис. 38.2. Возбуждение атома состоит в удалении одного из внутренних электронов. электронов

Рис. 38.1.

Рис. 38.2.

Если вырывается один из двух -слоя, то освободившееся место может быть занято электроном из какого-либо внешнего слоя (L, M, N и т. д.). При этом возникает -серия. Аналогично возникают и другие серии. Серия К обязательно сопровождается остальными сериями, так как при испускании ее линий освобождаются уровни в слоях L, М и т.д., которые будут в свою очередь заполняться электронами из более высоких слоев.

Английский физик Мозли установил в 1913 г. закон, связывающий частоты линий рентгеновского спектра с атомным номером Z испускающего их элемента.

Согласно этому закону частоты линии можно представить формулой

(R — постоянная Ридберга), линии — формулой

линии -формулой

и т. д. Все эти формулы имеют вид

Закон Мозли обычно выражают формулой

( — константы) и формулируют следующим образом: корень квадратный из частоты является линейной функцией атомного номера Z.

На рис. 38.3 изображены построенные по экспериментальным точкам графики зависимости от Z для линий По этим графикам можно судить, насколько точно выполняется закон Мозли. При внимательном рассмотрении можно заметить, что график для линии имеет не вполне прямолинейный характер.

Закон Мозли позволяет по измеренной длине волны рентгеновских линий точно установить атомный номер данного элемента; он сыграл большую роль при размещении элементов в периодической системе.

Мозли дал простое теоретическое объяснение найденного им закона. Он заметил, что линии с частотами, определяемыми формулой (38.1), совпадают с линиями, испускаемыми при переходе электрона, находящегося в поле заряда с уровня с номером на уровень с номером Смысл константы о легко понять: электроны, совершающие переходы при испускании рентгеновских лучей, находятся под воздействием ядра, притяжение которого несколько ослаблено действием остальных окружающих его электронов.

Рис. 38.3.

Это так называемое экранирующее действие и находит свое выражение в необходимости вычесть из Z некоторую величину а.

Заметим, что формула (38.1) основана на допущении, что постоянная экранирования а для обоих термов имеет одинаковое значение. На самом же деле экранирование, например, для К-терма будет слабее, чем для -терма, потому что электрон, находящийся в -оболочке, экранируют оба электрона -оболочки и, кроме того, частичное участие в экранировании принимают остальные электроны -оболочки, в то время как для электрона -оболочки экранирование осуществляется только одним вторым -электроном. Более строго формулу (38.1) следовало бы писать в виде