ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКИЙ РЕНТГЕНОВСКИЙ СПЕКТР

Если скорость электронов, возбуждающих рентгеновское излучение, очень велика, то на фоне непрерывного спектра тормозного излучения появляются отдельные линии.

Изучение этих рентгеновских спектральных линий показало, что их расположение в пределах непрерывного спектра зависит от вещества мишени, ввиду чего набор этих линий называют характеристическим рентгеновским спектром. Для выяснения происхождения такого спектра важное значение имело следующее обстоятельство: при бомбардировке мишени протонами или альфа-частицами непрерывное излучение не появляется; возникают только характеристические спектры. Если же мишень облучается коротковолновымй рентгеновскими лучами, то от нее исходит излучение, состоящее из смеси рассеянных первичных лучей и характеристического спектра вещества мишени. Эти факты показывают, что рентгеновский линейчатый спектр, по-видимому, связан с возбуждением атомов вещества и обратным переходом в нормальные состояния. Так как частоты этих линий в десятки тысяч раз превосходят частоты видимого света, то, следовательно, испускание рентгеновских фотонов должно сопровождаться большими изменениями в энергетическом состоянии атома.

Рис. IV.84

Характеристические рентгеновские спектры различных элементов имеют однотипную структуру и состоят из нескольких серий, обозначаемых буквами Каждая из этих серий содержит некоторый набор отдельных спектральных линий, обозначаемых индексами (например, Согласно закону, установленному Мозли, частоты характеристического спектра элементов возрастают с увеличением порядкового номера, т. е. при переходе к более тяжелым атомам весь спектр, сохраняя свою структуру, смещается в сторону коротких волн. Если выбрать одну определенную линию спектра, например самую коротковолновую (или любую другую), то, согласно закону Мозли, частота этой линии определяется порядковым номером элемента

(где — постоянные величины), т. е. квадратный корень из частот характеристического рентгеновского излучения есть линейная функция от порядкового номера элемента.

На рис. IV.84 показаны прямые, на которых укладываются частоты линий различных элементов.

Руководствуясь представлениями Н. Бора о происхождении оптических спектров, Мозли установил, что

где постоянная Ридберга, целые числа. По измерениям Мозли константа в формуле (2.75) оказалась в пределах каждой серии спектра одинаковой для всех элементов: для -серии для -серии и т. д. Таким образом, для характеристического рентгеновского спектра всех элементов можно написать одну формулу

где величина выделяет ту или иную серию в этом спектре. Эта формула отличается от сериальной формулы атома водорода (см. § 9) тем, что содержит порядковый номер элемента и величину 6, имеющую различное значение для каждой из серий спектра.

Излучение характеристического рентгеновского спектра обусловлено перемещениями электронов внутри атомов, переходами от дальних оболочек (энергетических уровней) к ближним. Допустим, что при помощи внешнего воздействия из слоя К (см. выбит один электрон, который затем покидает атом. Вследствие этого в структуре атома появляется энергетическая вакансия и атом оказывается в возбужденном состоянии. Для перехода в нормальное состояние потребуется заполнение этой вакансии; оно может осуществиться различным образом. Вакантное место может быть занято, например, электроном из соседнего (более удаленного от ядра) слоя Тогда появится вакансия в этом слое и она также должна быть заполнена электроном из еще более удаленных слоев. Однако возможно, что первоначальная вакансия в -слое будет заполнена электроном не из -слоя, а из слоев и т. д. Таким образом, если имеется некоторое множество возбужденных атомов, имеющих вакансии в -слое, то возможны целые серии переходов: Переходы электрона в вакантное место -слоя из дальних слоев сопровождается излучением спектральных линий и т. д. Аналогичное объяснение получают линии Частоты испускаемых спектральных линий (или фотонов) характеристического рентгеновского спектра определяются правилом Бора:

где энергии атома в начальном и конечном состояниях электрона.

При расчете энергии возбужденных состояний сложных атомов необходимо (в отличие от атома водорода, содержащего только протон и электрон) учесть взаимодействие не только электронов с ядром, но и электронов между собой. Наличие электронов ослабляет поле положительных зарядов ядра, поэтому следует ожидать, что потенциальная энергия, которой обладает один электрон в поле заряда

ядра в присутствии других электронов, будет меньше, чем в их отсутствии. Это уменьшение энергии можно оценить некоторой величиной, вычитаемой из можно представить себе, что поле ядра соответствует не заряду а несколько меньшему заряду Этими рассуждениями выясняется происхождение величины в формулах (2.75) и (2.76); ее называют постоянной экранирования (электроны в заполненных внутренних оболочках являются своеобразным «электрическим экраном» положительного заряда для тех электронов, которые находятся в более удаленных оболочках).

В тяжелых атомах энергия, которая выделяется при переходе электрона из удаленных орбит в -слой, несколько больше энергии, необходимой для ионизации самого атома, т. е. для удаления одного из электронов из валентных орбит за пределы атома. Поэтому возможен и наблюдается процесс, при которое переход электрона в -слой сопровождается не излучением рентгеновского фотона, а выбросом периферийного электрона за пределы атома (эффект Оже). Однако вероятность реализации такого процесса меньше вероятности излучения фотона.