Характеристическое рентгеновское излучение

Квантовый подход к природе рентгеновских лучей позволил объяснить ещё одну особенность рентгеновского спектра. Дело в том, что при превышении определённого, характерного для каждого вида материала антикатода, порогового значения напряжения на фоне сплошного тормозного спектра проявлялись (рис.5) резкие выбросы (пики или линии).

Рис. 5

Причём, набор этих пиков для каждого вида материала был свой и зависел от наличия тех или иных атомов в веществе антикатода. При этом было абсолютно неважно, входят эти атомы в состав какой-либо молекулы или содержаться самостоятельно — от этого вид характеристического спектра не менялся.

Это можно объяснить, если предположить, что причина появления линейчатого характеристического спектра определяется взаимодействием быстрых электронов непосредственно с глубинными, не затронутыми химическими реакциями, электронными оболочками отдельных атомов.

При передачи быстрым электроном энергии атому антикатода её величины может оказаться достаточной для перевода электронов с внутренних оболочек на внешние или даже на ионизацию атома. В результате на освободившееся место переходят электроны с близлежащих оболочек. При таких переходах атом в соответствии со вторым постулатом Бора испускает кванты энергии (фотоны), частота которых лежит в рентгеновском диапазоне частот. Получаемое излучение назвали характеристическим, поскольку оно зависит только от природы излучающего атома, то есть от значения его зарядового числа Z.

Как и оптические спектры, линейчатые рентгеновские спектры состоят из линий, составляющих несколько серий. Но, в отличие от оптических спектров с огромным числом линий, серии рентгеновского спектра содержат небольшое количество линий. Кроме того, у различных элементов обнаруживаются однотипные серии линий, отличающиеся только тем, что у более тяжёлых атомов эти однотипные линии смещены в сторону более коротких длин волн.

В порядке возрастания длин волн серии линий характеристического излучения именуются соответственно K-, L-, M-, N-сериями, что связано с происхождением линий этих серий.

Рис. 6

Например, если выбитый из атома электрон находился на К-том энергетическом уровне, то все возможные излучательные квантовые переходы образуют наиболее коротковолновую (жёсткую) К-серию. Аналогично образуются L-, M- и N-серии (рис.6).

Закон Мозли

В 1913 году Мозли определил зависимость частоты рентгеновского излучения от порядкового номера атома и уровней, между которыми происходит переход электронов, которая получила название "Закон Мозли":

(4)

Видно, что выражение (4) очень похоже на формулу, описывающую сериальные закономерности в оптических спектрах. Но в законе Мозли величина Z уменьшена на — постоянную экранирования. Смысл этой постоянной заключается в том, что в тяжёлом атоме, содержащем Z электронов, на электрон, совершающий переход с какой-либо оболочки, действует уже не весь заряд ядра Ze, а ослабленный экранирующим действием оставшихся на этой оболочке электронов заряд (Z - ) e.

Последовательное применение формулы Мозли к элементам периодической системы Менделеева подтвердило в своё время закономерное возрастание на единицу заряда ядра при переходе от одного элементу к следующему по порядку. Это имело большое значение для подтверждения справедливости ядерной модели атома и периодического закона Менделеева.