2.6 Характеристическое рентгеновское излучение
Характеристическое рентгеновское изучение возникает, когда электроны переходят с внешних электронных слоёв на внутренние ( рис. 2.4 а). Свободное место на внутренних электронных слоях создаётся, когда электроны с этих внутренних слоёв выбиваются либо другими быстрыми электронами, либо радиоактивным излучением, либо захватываются ядром при некоторых ядерных превращениях.
Характеристическое излучение на фоне тормозного возникает при больших напряжениях между анодом и катодом рентгеновской трубки. Электроны приобретают при этом большую энергию, проникают вглубь атомов зеркальца анода и выбивают электроны из внутренних электронных слоёв. Это можно обнаружить по появлению на спектре тормозного излучения пиков, соответствующих характеристическому изучению (рис 2.4 б).
Рис. 2.4. Характеристическое рентгеновское излучение (объяснения в тексте).
Спектр характеристического рентгеновского изучения в отличие от спектра тормозного рентгеновского излучения линейчатый (рис. 2.4 в). Линии собраны в серии, соответствующие тем электронным слоям, на которые переходят с верхних слоёв электроны, излучающие рентгеновские фотоны: K, L, M и т. д. Длины волн и, соответственно, частоты спектра характеристического излучения связаны с порядковым номером элемента z законом Мозли (1913 год).
(2.3)
ν- частота, λ - длина волны, соответствующие определённой линии данной серии, А и В – константы, определяемые спектральной серией и номером спектральной линии в серии, одинаковые для всех элементов. Закон Мозли снабдил химиков однозначным способом измерения порядкового номера элемента. Полученные данные подтвердили открытый за полвека до этого периодический закон Д.И.Менделеева. Характеристическая рентгеновская спектроскопия – великолепный метод качественного химического анализа. Она даёт ответ на вопрос – какие элементы содержит исследуемый образец? Причём, вид характеристического спектра не зависит от того, в какие соединения входит элемент. Поэтому излучение и названо характеристическим. Характеристическая рентгеновская спектроскопия позволяет определять из атомов каких элементов состоят молекулы исследуемого вещества.
2.7. РЕНТГЕНОСРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ
Рентгеноструктурный анализ – метод исследования микроструктуры объекта, основанный на изучении дифракции рентгеновских лучей на атомах и молекулах (рис. 2.5).
Рис.2.5. К выводу формулы Вульфа – Брэггов ( объяснения в тексте ).
Рентгеновские
лучи, падающие на поверхность кристалла
под небольшим углом скольжения
,
дифрагируют на атомах кристалла так,
что вторичные волны можно рассматривать
как бы отразившимися от кристаллографических
плоскостей. Луч 1, отразившийся от верхней
кристаллографической плоскости АА,
интерферирует с лучом 2, отразившимся
от нижней плоскости ББ. Разность хода
этих лучей
= СB + BD = 2AB sin , так как АС и АВ перпендикуляры к падающим 1 и 2 и лучам, а углы САВ и ВАD равны .
Максимумы интерференции будут, когда разность хода равна целому числу длин волн:
,
(2.4)
𝑙 = АВ – расстояние между соседними кристаллографическими плоскостями.
Это формула Вульфа- Брэггов – основа рентгеноструктурного анализа. Но, на самом дел развитая теория рентгеноструктурного анализа, в основе которого эта простая формула, очень сложна.
Меняя углы скольжения падающего на кристалл рентгеновского излучения, определив , при которых получатся максимум интерференции дифрагировавших лучей и, зная длину волны , можно рассчитать расстояние между кристаллографическими плоскостями.
Методом рентгеноструктурного анализа в середине прошлого века английские учёные Дж. Уотсон и Ф. Крик сделали открытие, имевшее огромное значение для биологии. Они установили структуру ДНК – двойную спираль. В настоящее время метод рентгеноструктурного анализа широко применяется для исследования биологических макромолекул.
.
ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ К ГЛАВЕ 2
1.Отклоняются ли рентгеновские лучи в электрическом, магнитном поле? Почему не наблюдалась дифракция рентгеновских лучей на дифракционных решётках, применяемых для исследования световых лучей? Какие исследования позволили выяснить природу рентгеновского излучения?
2.Какие свойства рентгеновских лучей позволили их применить в рентгеноскопии, рентгенографии, флюорографии, компьютерной томографии, в рентгенотерапии?
3. Как можно, не меняя жёсткости рентгеновского излучения, увеличить его мощность?
4. Во сколько раз изменится коротковолновая граница спектра тормозного рентгеновского излучения, скорость электронов, подлетающих к аноду рентгеновской трубки и мощность рентгеновского излучения, если напряжение между анодом и катодом трубки увеличить в 4 раза?
5. В чём отличие механизмов возникновения тормозного и характеристического излучения?
6. Каким образом по виду характеристического спектра исследуемого образца можно определить, какие в нём содержатся химические элементы? Зависит ли характеристический спектр элемента от того в молекулы каких веществ этот элемент входит?
7. На каком явлении основан метод рентгеноструктурного анализа?
8. При исследовании молекулы белка методом рентгеноструктурного анализа обнаружено, что максимум первого порядка наблюдается под углом 10-2 радиан. Длина волны рентгеновского изучения 10-10 м. Найдите шаг спирали молекулы белка.