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.