Рентгеновские спектры

Рентгеновские спектры, спектры испускания и поглощения рентгеновских лучей, т.е. электромагнитного излучения в области длин волн от 10^-4 до 10³ А. Для исследования спектров рентгеновского излучения, получаемого, например, в рентгеновской трубке, применяют спектрометры с кристаллом-анализатором (или дифракционной решеткой) либо бескристальную аппаратуру, состоящую из детектора (сцинтилляционного, лазерного пропорционального или полупроводникового счетчика) и амплитудного анализатора импульсов. Для регистрации рентгеновских спектров применяют рентгенофотопленку и различные детекторы ионизирующих излучений.

Спектр излучения рентгеновской трубки представляет собой наложение тормозного и характеристического рентгеновского спектра. Тормозной рентгеновский спектр возникает при торможении заряженных частиц, бомбардирующих мишень. Интенсивность тормозного спектра быстро растет с уменьшением массы бомбардирующих частиц и достигает значительной величины при возбуждении электронами. Тормозной рентгеновский спектр – сплошной, так как частица может потерять при тормозном излучении любую часть своей энергии. Он непрерывно распределен по все длинам волн λ, вплоть до коротковолновой границы (h – постоянная Планка, с – скорость света, е – заряд бомбардирующей частицы, V – пройденная ею разность потенциалов).

С возрастанием энергии частиц интенсивность тормозного рентгеновского спектра I растет, а λ₀ смещается в сторону коротких волн (рис.3.2.1).

Рис.3.2.1. Распределение интенсивности I тормозного излучения W по длинам волн λ при различных напряжениях V на рентгеновской трубке

С увеличением порядкового номера Z атомов мишени I также растет.

Характеристические рентгеновские спектры испускают атомы мишени, у которых при столкновении с заряженной частицей высокой энергии или фотоном первичного рентгеновского излучения с одной из внутренних оболочек (K-, L-, M-… оболочек) вылетает электрон. Состояние атома с вакансией во внутренней оболочке (его начальное состояние) неустойчиво. Электрон одной из внешних оболочек может заполнить эту вакансию, и атом при этом переходит в конечное состояние с меньшей энергией (состояние с вакансией во внешней оболочке). Избыток энергии атом может испустить в виде фотона характеристического излучения. Поскольку энергии Е₁ и Е₂ конечного состояний атома квантованы, возникает линия рентгеновского спектра с частотой . Все возможные излучательные квантовые переходы атома из начального К-состояния образуют наиболее жесткую (коротковолновую) К-серию. Аналогично образуются L-, M-, N-серии (рис.3.2.2).

Рис.3.2.2. Схема K-, L-, M-уровней атома и основные линии К- и L-серий

Положение линий характеристического рентгеновского спектра зависит от атомного номера элемента, составляющего мишень.

Каждая серия характеристического рентгеновского спектра возбуждается при прохождении бомбардирующими частицами определенной разности потенциалов – потенциала возбуждения Vq (q – индекс возбуждаемой серии). При дальнейшем росте V интенсивность I линий этого спектра растет пропорционально (V – Vq)2, затем рост интенсивности замедляется и при V ≈ 1IVq начинает падать.

Относительные интенсивности линий одной серии определяются вероятностями квантовых переходов и, следовательно, соответствующими отбора правилами. Кроме наиболее ярких линий дипольного электрического излучения, в характеристическом рентгеновском спектре могут быть обнаружены линии квадрупольного и октупольного электрических излучений и линии дипольного и квадрупольного магнитных излучений.

Рентгеновские спектры поглощения получают, пропуская первичное рентгеновское излучение непрерывного спектра через тонкий поглотитель. При этом распределение интенсивности по спектру изменяется - наблюдаются скачки и флуктуации поглощения, которые и представляют собой рентгеновский спектр поглощения. Для каждого уровня рентгеновского спектра поглощения имеют резкую низкочастотную (длинноволновую) границу vq (hvq = eVq), при которой наблюдается первый скачок поглощения.

Рентгеновские спектры нашли применение в рентгеновской спектроскопии, спектральном анализе.