Рентгеновские спектры.

Энергетические уровни атомов распределены неравномерно, расстояния между ними уменьшаются по мере увеличения их высоты. Переход в нормальное состояние атомов, у которых на возбужденном уровне находится внешний валентный электрон, сопровождается испусканием квантов небольшой энергии. Это может быть квант ультрафиолетового, видимого или даже инфракрасного света.

По мере увеличения атомного номера элемента, а следовательно и заряда ядра, энергия связи электронов внутренних оболочек с ядром возрастает. Связь электронов внешних оболочек с ядром ослабляется вследствие экранирующего действия внутренних электронных оболочек. Более сильная связь электронов внутренних оболочек с ядром приводит к увеличению энергии фотонов, возникающих при переходах электронов с внешних оболочек на внутренние. Если при переходах электронов в пределах внешних оболочек атомов испускаются фотоны инфракрасного, видимого или ультрафиолетового света, то переходы электронов на внутренние оболочки сопровождаются испусканием квантов рентгеновского излучения. Рентгеновское излучение, возникающее при переходах электронов на внутренние оболочки атомов, называют характеристическим рентгеновским излучением. Граничной длиной волны между ультрафиолетовыми и рентгеновскими лучами принята длина волны 10 нм.

Схема, поясняющая возникновение характеристического рентгеновского излучения, представлена на рисунке 115. При выбивании электрона с одной из внутренних оболочек атома тяжелого элемента, например Л-оболочки, освободившееся место тотчас занимает электрон с более удаленной оболочки, например L-оболочки. Избыток энергии при этом испускается в виде кванта характеристического рентгеновского излучения. Освободившееся место в L-оболочке заполняется электроном из М-оболочки, испускается еще один рентгеновский квант и т. д.

Наиболее распространенный способ возбуждения рентгеновских спектров — бомбардировка атомов быстрыми электронами. При столкновениях с атомами вещества анода (или антикатода) быстрые электроны пучка могут выбивать электроны из внутренних оболочек атомов или испытывать торможение в

электрических полях атомных ядер. Первый процесс сопровождается испусканием характеристического рентгеновского излучения с линейчатым спектром, второй процесс является источником тормозного рентгеновского излучения со сплошным спектром. Если максимальная энергия электронов, бомбардирующих антикатод, меньше энергии связи электронов внутренних оболочек атомов, то возникает только тормозное рентгеновское излучение со сплошным спектром. Если же энергия электрона превышает энергию связи электрона на Л-оболочке атома, то, кроме сплошного рентгеновского спектра, возникает полный линейчатый спектр характеристического излучения (рис. 116).

Характеристический спектр рентгеновского излучения остается линейчатым и при объединении атомов в кристаллы, так как внутренние электронные оболочки атомов экранируются от внешних воздействий внешними электронными оболочками. Энергетические уровни электронов внутренних оболочек почти не изменяются при объединении атомов в молекулы и кристаллы.

Для исследования спектров рентгеновского излучения непригодны спектроскопы и спектрографы, применяемые для видимого света. В стеклянной призме в результате взаимодействия с атомами вещества рентгеновское излучение поглощается или рассеивается.

Обычные дифракционные решетки непригодны для исследования рентгеновского излучения из-за того, что ширина щелей в них во много раз превосходит длину волны рентгеновского излучения. Для получения спектров рентгеновского излучения используется

Рис. 115

Рис. 116

явление дифракции их на монокристаллах. Роль дифракционной решетки в этом случае выполняют ряды атомов, расположенные в монокристаллах строго периодически на расстояниях, сравнимых с длиной волны рентгеновского излучения. Регистрация рентгеновского излучения обычно осуществляется с помощью фотопластинки или счетчика рентгеновских квантов.

При использовании монокристаллов с хорошо известным периодом решетки можно по дифракционной картине определить длины волн спектральных линий рентгеновского излучения, испытывающего дифракцию. Наоборот, используя источник рентгеновского излучения с известным спектром, по наблюдаемой дифракционной картине можно определять межатомные расстояния в кристаллах.