Рентгенівські промені. Суцільний спектр і його межі. Характеристичний спектр. Закон Мозлі

Випромінювання, яке було відкрите в 1895 році німецьким фізиком Рентгеном і пізніше назване на його честь рентгенівським відіграє велику роль у дослідженнях будови електронних оболонок і властивостей складних атомів, при вивченні будови молекул, а особливо твердих тіл.

Рентгенівське випромінювання виникає при гальмуванні речовиною швидких електронів унаслідок перетворення кінетичної енергії цих електронів в електромагнетне випромінювання. Довжини хвиль рентгенівського випромінювання перебувають в межах від 0,01 до 80 нм.

Для одержання рентгенівського випромінювання використовують рентгенівські трубки. Вони мають скляний або металевий корпус у якому розміщені катод і анод й створено глибокий вакуум. Катод рентгенівської трубки є джерелом електронів, а анод ― джерелом рентгенівського випромінювання. Між катодом і анодом створюють електричне поле, яке здатне прискорювати електрони до (10⁴ - 10⁵) еВ.

Досліди показують, що при бомбардуванні тіла аноду високоенергетичними електронами виникають два типи рентгенівського випромінювання. Перший тип називають білим, власний спектр якого є суцільним, подібним до спектру білого світла. Біле рентгенівське випромінювання утворюється при гальмуванні швидких електронів тілом анода. Тому це випромінювання називають ще гальмівним. Гальмівний рентгенівський спектр має короткохвильову межу l_min, яка визначається величиною анодної напруги, прикладеної між катодом і анодом.

Завдяки випадковому характеру зіткнень електронів з атомними оболонками анода, втрати енергії електронів на теплоту й випромінювання розподіляються довільно. Тому енергія фотонів гальмівного випромінювання може бути різною, а його спектр ― суцільним.

При підвищенні напруги на рентгенівській трубці інтенсивність випромінювання зростає. Примітним також є те, що спектр рентгенівського випромінювання при будь-якій напрузі в короткохвильовій частині різко

обривається (рис.1.18) .

Рис.1.18

Для короткохвильової межі гальмівного спектра маємо

. (1.5.7)

Звідки

, (1.5.8)

де h ― стала Планка; с ― швидкість світла; q ― заряд електрона U ― анодна напруга. Формула (1.5.8) добре узгоджується з дослідними даними.

У свій час вона виявилась одним із найточніших методів експериментального визначення сталої Планка. Це співвідношення добре збігається з рівнянням Ейнштейна для фотоефекту, якщо в ньому знехтувати роботою виходу електрона з металу.

Другим типом випромінювання є характеристичне рентгенівське випромінювання. Його називають так через те, що воно характеризує речовину анода рентгенівської трубки. Спектр характеристичного рентгенівського випромінювання ― лінійчатий. Особливість цих спектрів полягає в тому, що кожний хімічний елемент дає певний характеристичний рентгенівський спектр незалежно від того, чи збуджується атом у вільному стані, чи він входить до хімічної сполуки. Спектр характеристичного рентгенівського випромінювання істотно відрізняється від оптичних електронних спектрів тих же атомів. Вплив хімічного зв’язку на оптичні спектри досить значний, тому що оптичні спектри випромінюються якраз валентними електронами. В той же час характеристичне рентгенівське випромінювання здійснюється електронами глибоких енергетичних рівнів.

В 1913р. англійський фізик Мозлі встановив закон, який виражає частоти у характеристичних спектрах речовини залежно від її атомного номера, а саме:

, (1.5.9)

де R ― стала Рідберга в с^-1; m і n ― номери числа рівнів, між якими здійснюється перехід електрона; s ― стала екранування, яка зберігає своє значення в межах даної серії для всіх елементів. Для К-серії s =1; для L- серії s =7.5 і т.д.

Інколи закон Мозлі записують у такій формі

, (1.5.10)

де n^*=1/l ― хвильове число; R¹ ― стала Рідберга в м^-1; ― стала величина; s ― стала екранування.

Для довжин хвиль, які характеризують переходи електронів на К_a рівень, Мозлі дістав таке співвідношення

= . (1.5.11)

Зіставляючи (1.5.10) і (1.5.11), маємо, що для цих ліній

і s=1.

Застосування закону Мозлі до атомів хімічних елементів періодичної системи Менделєєва підтвердило закономірне зростання електричного заряду ядра на одиницю при послідовному переході від одного елемента до іншого.