Природа характеристических рентгеновских спектров

52. Рентгеновские спектры. Природа сплошного и характеристического рентгеновских спектров.

Большую роль в выяснении строения атома, а именно распределения электронов по оболочкам, сыграло излучение, открытое в 1895 г. немецким физиком В. Рентгеном (1845—1923) и названное рентгеновским. Наиболее распространенным источником рентгеновского излучения является рентгеновская трубка, в которой сильно ускоренные электрическим полем электроны бомбардируют анод (металлическая мишень из тяжелых металлов, например W или Pt), испытывая на нем резкое торможение. При этом возникает рентгеновское излучение, представляющее собой электромагнитные волны с длиной волны примерно 10 -12 —10 -8 м. Волновая природа рентгеновского излучения доказана опытами по его дифракции, рассмотренными в § 182.

При достаточно большой энергии бомбардирующих анод электронов на фоне сплошного спектра появляются отдельные резкие линии — линейчатый спектр, определяемый материалом анода и назы­ваемый потому характеристическим рентгеновским спектром (излучением). По сравнению с оптическими спектрами характеристические рентгеновские спектры элементов совершенно однотипны и состоят из нескольких серий, обозначаемых К, L, М, N и О. Каждая серия, в свою очередь, содержит небольшой набор отдельных линий, обозначаемых в порядке убывания длины волны индексами , , , . (K_, К_, K_. _, _, _. ). При переходе от легких элементов к тяжелым структура характеристического спектра не изменяется, лишь весь спектр смещается в сторону коротких волн. Особенность этих спектров заключается в том, что атомы каждого химического элемента, независимо от того, находятся ли они в свободном состоянии или входят в химическое соединение, обладают определенным, присущим только данному элементу линейчатым спектром характеристического излучения. Так, если анод состоит из нескольких элементов, то и характеристическое рентгеновское излучение представляет собой наложение спектров этих элементов. Рассмотрение структуры и особенностей характеристических рентгеновских спектров приводит к выводу, что их возникновение связано с процессами, происходящими во внутренних, застроенных электронных оболочках атомов, которые имеют сходное строение. Исследование спектрального состава рентгеновского излучения показывает, что его спектр имеет сложную структуру (рис. 306) и зависит как от энергии электронов, так и от материала анода. Спектр представляет собой наложение сплошного спектра, ограниченного со стороны коротких длин волн некоторой границей _min, называемой границей сплошного спектра, и линейчатого спектра — совокупности отдельных линий, появляющихся на фоне сплошного спектра.

53. Физическая природа химической связи в молекулах. Понятие об энергетических уровнях.

Наиболее часто в молекулах встречается два типа связи: ионная и ковалентная.

Ионная связь (например, в молекулах NaCl, KBr) осуществляется электростатическим взаимодействием атомов при переходе электрона одного атома к другому, т. е. при образовании положительного и отрицательного ионов. Ковалентная связь (например, в молекулах Н₂, С₂, СО) осуществляется при обобществлении валентных электронов двумя соседними атомами (спины валентных электронов должны быть антипараллельны). Ковалентная связь объясняется на основе принципа неразличимости тождественных частиц (см. § 226), например электронов в молекуле водорода. Неразличимость частиц приводит к специфическому взаимодействию между ними, называемому обменным взаимодействием. Это чисто квантовый эффект, не имеющий классического объяснения, но его можно себе представить так, что электрон каждого из атомов молекулы водорода проводит некоторое время у ядра другого атома и, следовательно, осуществляется связь обоих атомов, образующих молекулу. При сближении двух водородных атомов до расстояний порядка боровского радиуса возникает их взаимное притяжение и образуется устойчивая молекула водорода. Молекула является квантовой системой; она описывается уравнением Шредингера, учитывающим движение электронов в молекуле E_эл, колебания атомов молекулы E_кол, вращение молекулы E_вращ. Решение этого уравнения — очень сложная задача, которая обычно разбивается на две: для электронов и ядер. Энергия изолированной молекулы ЕE_эл+E_кол + E_вращ Каждая из входящих в выражение (230.1) энергий квантуется (ей соответствует набор дискретных уровней энергии) и определяется квантовыми числами. При переходе из одного энергетического состояния в другое поглощается или испускается энергия E =h. При таких переходах одновременно изменяются энергии движения электронов, энергии колебаний и вращения. Из теории и эксперимента следует, что расстояние между вращательными уровнями энергии E_вращ гораздо меньше расстояния между колебательными уровнями Е_кол, которое, в свою очередь, меньше расстояния между электронными уровнями E_эл.

Источник

Природа характеристических рентгеновских спектров

Наиболее распространенным источником рентгеновского излучения является рентгеновская трубка, в которой сильно ускоренные электроны бомбардируют анод (W, Pt и т.д.), испытывая на нем торможение. При этом возникает рентгеновское излучение (длина волны =10 -12 — 10 -8 м).

Исследование спектрального состава показало, что он представляет собой наложение сплошного и линейчатого. Характер сплошного спектра совершенно не зависит от материала анода и определяется только энергией электронов. Оно испускается бомбардирующими анод электронами в результате их торможения при взаимодействии с атомами мишени. Классическая теория говорит, что при торможении движущихся зарядов действительно должно возникать излучение со сплошным спектром.

При увеличении энергии электронов на фоне сплошного спектра появляются отдельные линии — линейчатый спектр, определяемый материалом анода и поэтому называемый характеристическим.

Спектр характеристического излучения очень прост — состоит только из нескольких линий. Линии рентгеновских спектров с большими Z образуют ряд серий, которые в порядке возрастания частоты обозначаются: K -;L -; M -; N — серии.

Характеристическое рентгеновское излучение имеет довольно высокую частоту, а следовательно, разности энергий квантовых состояний электронов, соответствующие этому излучению, также велики. Поскольку известен принцип эквивалентности Эйнштейна: если атом, молекулы или другая частица (корпускулярная система) испускает или поглощает фотоны частотой, то энергия системы уменьшается (увеличивается) на величину DE=hn, то можно сделать следующий вывод. Характеристическое рентгеновское излучение происходит из внутренней, ближайшей к ядру электронной оболочки, что и обуславливает высокую частоту излучения. Притяжение электронов внутренней оболочки атомным ядром существенно сильнее, чем внешних электронов, поэтому они более прочно связаны. Рентгеновские спектры похожи, но с увеличением порядкового номера они сдвигаются в сторону высоких частот.

Это обусловлено тем, что внутренние части электронной оболочки, где возникает рентгеновское излучение, находятся под непосредственным воздействием заряда атомного ядра, определяемого порядковым номером. Схема возникновения характеристических рентгеновских спектров показана на рис.56. Возбуждение атома состоит в удалении одного из внутренних электронов. Если вырывается один из двух электронов К-оболочки, то освободившееся место может быть занято электроном из L,M — и т.д. оболочек. При этом возникает К-серия. Остальные аналогично. Серия К обязательно сопровождается остальными сериями, так как при испускании ее линий освобождаются уровни в последующих оболочках, которые также будут заполняться электронами из более высоких оболочек. Английский физик МОЗЛИ установил в 1913 г. закон, согласно которому частоту линии К-серии можно представить:

где n — частота, соответствующая данной линии; R -постоянная Ридберга, s — постоянная экранирования , m =1,2,3. (определяет рентгеновскую серию), n = m+1; m+2;. По внешнему виду этот закон подобен обобщенной формуле Бальмера.

Смысл постоянной экранирования в том, что на электрон, совершающий переход, соответствующий некоторой линии, действует не весь заряд ядра Ze, а заряд (Z — s) . e, ослабленный экранирующим действием других электронов. Полученная формула предполагает, что постоянная экранирования для обоих термов одинакова. На самом деле, экранирование, например, для К-терма будет слабее, чем для L-терма. Поэтому, более точной будет формулировка закона Мозли в виде:

где s₁ и s₂ – постоянные экранирования для соответствующих термов.

Источник

1. Рентгеновское излучение, его спектр. Тормозное и характеристическое излучение, их природа.

Рентгеновским излучением называют электромагнитные волны длиной = 80 до 10 -5 нм.

Наиболее длинноволновые излучения перекрываются коротковолновым УФ. По способу получения подразделяются на тормозное и характеристическое.

Механизм тормозного рентгеновского излучения.

Излучение, получаемое в рентгеновской трубке и бетатроне, возникает при торможении электронов в металлической преграде – тормозное рентгеновское излучение. С движением электр зарядом связано магнитное поле, индукция которого зависит от скорости электрона. При торможении магнитная индукция уменьшается и появляется электромагнитная волна. При торможении электрона часть энергии идет на создание фотона рентгеновского излучения, другая часть расходуется на нагревание анода. При торможение ↑ кол-ва электронов, возникает рентгеновское излучение с непрерывным спектром. Спектр волны показывает, как распределена энергия по значению длин волн λ. В каждом из спектров наиболее коротковолновое тормозное излучение, соответствует λ_min, возникает, когда энергия, приобретенная электроном, в ускоряющем поле переходит в энергию фотона

еU=hυ_max=hc/λ_min

λ_min – минимальная длина волны, 10 -10 м

Поток рентгеновского излучения: Ф=kIU 2 Z

Z – порядковый номер атома вещества антикатода

K – 10 -9 В -1 – коэффициент пропорциональности.

Характеристическое рентгеновское излучение.

Возникает вследствие проникновения ускоренных электронов вглубь атома и вытеснение ими электронов из внутренних слоев. На свободные места переходят электроны с верхних уровней, в результате высвечиваются фотоны характеристического излучения. Характеристические спектры разных атомов однотипны, не зависят от химического соединения. Возникает при наличии свободного места во внутренних слоях атома, не зависимо от причины, которая его вызвала.

2. Способы получения рентгеновского излучения: рентгеновская трубка, бетатрон.

«+»

« – »

Фокусирующий Рентгеновские вакуумная камера

Нить накала имеет t o поверхности 2000-2500 К, при которой электроны вырываются из нити (явление термоэлектронной эмиссии), эти электроны подхватываются электрическим полем: напряжение, создаваемое высоковольтным источником между катодом и анодом, может регулироваться. Фокусирующий электрод находится в контакте с нитью накаливания. Его задача – искривить силовые линии, чтобы электроны образовали узкий пучок. Антикатод изготовляется из тугоплавкого металла (вольфрам, молибден), торможение электронов сопровождается появлением рентгеновского излучения. Сила тока не велика, определяется числом электронов, вырвавшихся из рентгеновской трубки за сек времени.

Бетатрон – ускоритель электронов. Получаемый в нем поток быстрых электронов направляется на мишень, на которой при торможении электронов возникает поток жесткого рентгеновского излучения. При помощи усиления магнитного поля электроны удерживаются на круговой орбите. Основной объем и масса ускорителя приходятся на обмотки электромагнитов и их ферромагнитные сердечники. Разгон электронов в вакуумно й тороидальной камере.

Тороидальная камера находится в магнитном поле. Если на ось камеры выведен пучок электронов и магнитное поле начинает усиливаться, то происходит явление электромагнитной индукции, и возникает вихрь электромагнитного поля. На электроны действует сила: F=eE, направленная по касательной к оси камеры и разгоняющая их. Также на электрон действует сила Лоренса:F=eVB, направленная в центр камеры. СилаFудерживает электроны на оси камеры. Электроны во время всего цикла разгона остаются на неизменной орбите.

Источник