Элементы квантовой физики атомов и молекул

Элементы квантовой механики и физики атомов, молекул, твердых тел

Характеристические рентгеновские спектры. 

Рентгеновские спектры, возникающие при бомбардировке электронами антикатода рентгеновской трубки, бывают двух видов: сплошные и линейчатые. Сплошные спектры возникают при торможении быстрых электронов в веществе антикатода и являются обычным тормозным излучением электронов. Вид этих спектров не зависит от материала антикатода.

При повышении напряжения на трубке наряду со сплошным спектром появляется линейчатый. Он состоит из

Рис.13.5.

отдельных линий и зависит от материала антикатода. Каждый элемент обладает своим, характерным для него линейчатым спектром. Поэтому такие спектры называют характеристическими (рис. 13.5) .

 С увеличением напряжения на рентгеновской трубке коротковолновая граница сплошного спектра смещается, линии же характеристического спектра становятся лишь более интенсивными, не меняя своего расположения.

Особенности характеристических спектров.

 1. В отличие от оптических линейчатых спектров с их сложностью и разнообразием, рентгеновские характеристические спектры различных элементов отличаются простотой и однообразием. С ростом атомного номера Z элемента они монотонно смещаются в коротковолновую сторону. Барометрическая формула. Распределение Больцмана. При выводе основного уравнения кинетической теории газов и закона Д. К. Максвелла предполагается, что на молекулы газа не действуют никакие внешние силы. Поэтому молекулы равномерно распределяются по объему сосуда. Фактически молекулы любого газа всегда находятся в поле тяготения Земли. Если бы не было теплового движения молекул атмосферного воздуха, то все они упали бы на Землю. Если бы не было тяготения, то атмосферный воздух рассеялся бы по всей Вселенной. Тяготение и тепловое движение приводят газ в состояние, при котором его концентрация убывает с высотой.

2. Характеристические спектры разных элементов имеют сходный характер (однотипны) и не меняются, если интересующий нас элемент находится в соединении с другими. Это можно объяснить лишь тем, что характеристические спектры возникают при переходах электронов во внутренних частях атома, частях, имеющих сходное строение.

  3. Характеристические спектры состоят из нескольких серий: К, L, М, ... Каждая серия — из небольшого числа линий: Ка, Кβ, Кγ, ... La, Lβ, Ly, ... и т. д. в порядке убывания длины волны λ.

Анализ характеристических спектров привел к пониманию, что атомам присуща система рентгеновских термов К, L, М, ...(рис.13.6). На этом же рисунке показана схема возникновения характеристических спектров. Возбуждение атома возникает при удалении одного из внутренних электронов (под действием электронов или фотонов достаточно большой энергии). Если вырывается один из двух электронов K-уровня (n = 1), то освободившееся место может быть занято электроном из какого-либо более высокого уровня: L, M, N, и т. д. В результате возникает K-серия. Подобным же образом возникают и другие серии: L, М, ...

Серия К, как видно из рис.13.6, непременно сопровождается появлением и остальных серий, поскольку при испускании ее линий освобождаются электроны на уровнях L, М и др., которые в свою очередь будут заполняться электронами с более высоких уровней.

Рис. 13.6.

Закон Мозли. Частоты ν линий характеристического рентгеновского излучения подчиняются закону Мозли (1913):

(13.43)

R — постоянная Ридберга, Z — порядковый номер в Периодической системе элементов σ — постоянная экранирования, т = 1, 2, 3, ... (определяет рентгеновскую серию), п = т + 1, т + 2, ... (определяет линию соответствующей серии).

Смысл постоянной экранирования заключается в том, что на электрон, совершающий переход, действует не весь заряд ядра Ze, а заряд (Z — σ)е, ослабленный экранирующим действием других электронов. Закон Мозли сыграл в свое время важную роль при уточнении расположения элементов в периодической системе. Этот закон достаточно точно выполняется для легких элементов. Для тяжелых же элементов поправка σ значительно отличается от единицы.

Рентгеновские спектры поглощения отличаются от рентгеновских спектров излучения: они состоят из нескольких полос с резким длинноволновым краем (рис. 13.7). В результате поглощения рентгеновского фотона атомом может произойти вырывание электрона с одной из внутренних оболочек атома (процесс фотоионизации), причем каждая из полос поглощения

Рис. 13.7.

соответствует вырыванию электрона из определенной оболочки атома (K-полоса

соответствует выбиванию электрона из самой внутренней оболочки и т. д.). Резкий длинноволновый край полос соответствует началу процесса фотоионизации. Из рисунка также следует, что полосы поглощения обладают тонкой структурой: в K-полосе — один максимум, в L-полосе — 3 максимума, в M-полосе — 5 максимумов. Отметим, что структура рентгеновских спектров поглощения тяжелых атомов аналогична, что говорит об идентичности строения внутренних оболочек атомов тяжелых элементов.

Итак, например, K-край полосы поглощения (λK) связан с прекращением возбуждения K-уровня. Это значит, что длина волны λK характеризует энергию связи K-электрона (ЕK):

ЕK = ћωK = (2πћc)/ λK .

Детальный анализ характеристических спектров привел к уточнению структуры рентгеновских термов (рис. 13.8). K -терм остается одиночным. L-терм оказался тройным, М-терм — пятикратным. Мы встречаемся здесь со случаем jj-связи, которая осуществляется в глубинных слоях тяжелых атомов. У K-оболочки п = 1, значит каждый электрон имеет l = 0, s = 1/2 и j = 1/2 (это единственное значение). У L-оболочки п = 2, каждый электрон имеет l = 0 или 1. При l = 0 j = 1/2, а при l = 1 согласно (13.29) j = 1/2 и 3/2. Итак, мы имеем здесь три подуровня в точном соответствии с кратностью L-края полосы поглощения. А именно, при п = 2 (L-оболочка)

l

0

1

j

1/2

1/2, 3/2

Аналогично для М-оболочки и т. д. (см. рис. 13.8).

Кроме того, необходимо учесть, что возможны только те переходы между термами, которые подчиняются правилу отбора:

Рис. 13.8.

Δl = ±1, Δj = 0, ±1.

(13.44)

Теперь должны быть понятными изображенные на рис. 13.8 переходы: только они удовлетворяют этим правилам отбора. Мы видим, что линии K-серии имеют дублетную структуру. Компоненты дублетов обозначают индексами α1, α2; β1, β2 и т. д. Например, Ка-линия представляет собой дублет Ка1 и Ка2. Серия L и другие имеют более сложную мультиплетную структуру.

Первые фундаментальные исследования фотоэффекта выполнены русским ученым А. Г. Столетовым. Принципиальная схема для исследования фотоэффекта приведена на рис. 289. Два электрода (катод К из исследуемого металла и анод А — в схеме Столетова применялась металлическая сетка) в вакуумной трубке подключены к батарее так, что с помощью потенциометра R можно изменять не только значение, но и знак подаваемого на них напряжения. Ток, возникающий при освещении катода монохроматическим светом (через кварцевое окошко), измеряется включенным в цепь миллиамперметром. Облучая катод светом различных длин волн, Столетов установил следующие закономерности, не утратившие своего значения до нашего времени
Характеристические рентгеновские спектры