§ 195. Атомные рентгеновские спектры

В многоэлектронных атомах ионизационные потенциалы нижних уровней достигают больших величин. Возбуждение таких атомов может поэтому привестив к излучению рентгеновских лучей (длины волн порядка Чтобы вызвать рентгеновское излучение, надо сообщить атому энергию порядка Такого эффекта можно достичь в газоразрядных трубках, на которые наложено напряжение в десятки и сотни тысяч вольт.

Можно оценить значение температуры, при которой атом начнет излучать рентгеновские частоты благодаря тепловым соударениям с другими атомами. Чтобы средняя кинетическая энергия, приходящаяся на одну степень свободы, имела порядок нужны температуры порядка 108 К. Столь высокие температуры осуществляются при атомных взрывах (см. стр. 538), на Солнце и в звездах. Рентгеновское излучение Солнца может быть зафиксировано приборами, установленными на спутниках.

Практическим способом получения рентгеновских лучей является бомбардировка твердых тел (антикатода рентгеновской трубки) потоком электронов. Электрон, попадающий на антикатод, резко тормозится, и это дает сплошной спектр рентгеновских лучей. Энергия электронов, выросшая за счет ускорения в электрическом поле до величины в результате торможения уменьшается до значения Разность энергий и выделяется в виде излучения. Величина может принимать любые значения, от до нуля, так что частоты возникающих лучей лежат в границах от до нуля. Не перешедшая в излучение энергия электронов переходит в тепло (в энергию рентгеновских лучей переходит всего лишь примерно сотая доля энергии электронного пучка). Из

сказанного ясно, что сплошной спектр рентгеновских лучей имеет коротковолновую границу Подставляя значения констант, получим

здесь X выражено в ангстремах, в киловольтах. Начинаясь при строго определенной длине волны, сплошной спектр рентгеновских лучей возрастает по интенсивности с увеличением длины волны, достигает максимума через несколько десятых ангстрема от коротковолновой границы, а затем медленно спадает.

Рис. 221.

Исследования показывают, что на сплошной спектр накладываются резкие линии, характерные для каждого сорта атомов. Рентгеновский характеристический спектр возникает благодаря тому, что часть электронов, падающих на антикатод, проникает внутрь атомов и выбивает из них внутренние электроны, т. е. электроны, находящиеся в слоях. Рентгеновский квант возникает при переходе одного из верхних электронов на освободившееся нижнее место. Совокупность спектральных линий, возникших благодаря переходам электронов на -уровни, называют -серией, на -уровни — -серией, и т. д. Если повышать напряжение на рентгеновской трубке, то серии будут возникать последовательно, поскольку по мере роста энергии электронов, падающих на антикатод, будут последовательно освобождаться для переходов все более и более низкие энергетические уровни. Последней возникнет -серия.

Общая схема рентгеновских электронных переходов показана на рис. 221. Жирными точками отмечены исходные уровни. На схеме помечены наиболее интенсивные линии. Однако некоторые переходы

отсутствуют ввиду правил запрета. Это относится, например, к переходам с одинаковым значением побочного квантового числа.

Так как строение нижних заполненных уровней одинаково у всех атомов, то картины рентгеновских спектров различных атомов очень похожи друг на друга. В каждом спектре имеются типичные (сдвинутые для элементов разного атомного номера по шкале длин волн) последовательности линий, например, все элементы создают сильный -дублет и и более слабый -дублет.

Рис. 222.

Довольно часто эти дублеты бывают не разрешены и тогда говорят -линии и -линии -серии данного элемента. Эти дублеты имеют «спиновую» природу.

Рис. 222 показывает этот систематический сдвиг характеристического спектра в коротковолновую область с увеличением атомного номера элемента, дающего этот спектр. Это — закон, открытый Мозли. Физическое основание закона — последовательное увеличение силы взаимодействия электрона с ядром при возрастании заряда ядра. Формулу закона мы не будем приводить. Строгая закономерность в смещении линий прекрасно видна из рисунка.