6. Рентгеновские лучи

В изучении строения электронных оболочек большую роль сыграли рентгеновские лучи, открытые В.К.Рентгеном в 1895г. эти лучи возникают при п рямом взаимодействии летящих с като­да электронов с атомами материала анода (Рис. 36.1). Для их получения используются специальные рентгеновские трубки, в которых между катодом и анодом создается напряжение порядка-10-100 кВ. Рентгеновские лучи представляют собой короткие электромагнитные волны с длиной волны от 0,01А. Волновая элек­тромагнитная природа этих лучей была доказана опытами по дифракции электронов на кристаллах, проделанных М.Лауэ с сотрудниками. в 1912 г. Кристалл, состоящий из упорядочение расположенных частиц, представляет собой пространственную дифракционную решетку. Дифракцию рентгеновских лучей можно рассматривать как результат их от­ражения от системы параллельных атомных плоскостей (Рис. 36.2). Для того, чтобы лучи, отражен­ные от соседних плоскостей, уси­ливали друг друга, необходимо, чтобы разность хода между ними была равна целому числу волн (интерференционные максимумы), т.е. Δ=AB+BC=2dsinθ=кλ. Следовательно, макси­мумы интенсивностей дифрагированных лучей будут наблюдаться для углов, удовлетворяющих условию

(36.5)

Эта формула называется формулой Вульфа-Брэгга. Существует две разновидности рентгеновских лучей, причи­ны возникновения которых совершенно различны. Одна из компо­нент представляет собой тормозное излучение, имеющее непрерывный спектр.

В озникновение этого излучения можно объяснить так. Вок­руг движущегося электрона существует магнитное поле. При ударе об анод происходит резкое изменение скорости электрона и соответственно магнитного поля, в результате чего возника­ют электромагнитные волны. Сплошной спектр такого излучения объясняется тем, что различные электроны по разному тормозят­ся атомами анода, что и приводит к излучению различных волн. Согласно квантовой теории часть кинетической энергии элек­трона переходит при соударении в тепло W, остальная часть - в энергии фотона рентгеновского излучения:

(36.6)

Т.о., с формальной точки зрения возникновение тормозно­го рентгеновского излучения обратно внешнему фотоэффекту. Отсюда можно получить коротковолновую границу рентгеновского спектра (Рис. 36.3). При υ =υ_max, W=0 и , где U - приложенная разность потенциалов. Тогда

(36.7)

Так, для U=50кВ, λ_min=0,23A.

Малая длина волны рентгеновских лучей является причиной их большой проникающей способности, химического, ионизирующего действия, а также опасного биологического воздействия. На непрерывный спектр тормозного излучения накладывается другая компонента - характеристическое рентгеновское излучение. Свое название оно получило из-за того, что эти лучи ха­рактеризуют материал анода. В отличие oт тормозного это излучение возникает глубоко во внутренних частях электронной оболочки атома. Если быстрый электрон проникнет в К-обо­лочку и выбьет оттуда атомный электрон, тo на образующееся "пустое место" возникнут пере­ходы с соседних энергетических уровней (Рис.36.4). Соответст­вующая разность энергий излучается в виде рентгеновского фото­на. Все линии спектра, возникаю­щие при переходах электронов с L-, M- и N- оболочек на К-оболочку, образуют К-серию; эти линии обозначают К_α, К_β и т.д. При излучении т акого фотона "пустое место" образуется в L-оболочке, что ведет к образованию L-серии и т.д. Так возникает целый набор ли­ний спектра. Чем больше порядковый номер элемента материала анода, тем сильнее связаны с ядром атома внутренние электро­ны. Соответственно рентгеновские фотоны имеют большую энер­гию и меньшую длину волны.

В 1915 г. Г.Мозли из экспериментов установил закон, связывающий длины волн (частоты) рентгеновского спектра с атомным номером Z испускающего их элемента:

(36.8)

где R - постоянная Ридберга, σ - коэффициент, учитывающий экранирующее действие соседних электронов.

Это уравнение аналогично формуле Бальмера (35.1), так что происхождение рентгеновских спектров также объясняется теорией Бора.

Для α-линий К -серии σ=1, m=1, n=2. В этом случае

(36.9)

Это выражение и называют законом Мозли. Из него ясно видно, что о увеличением Z рентгеновский спектр смещается .в сторону коротких волн, что и обнаруживается на опыте.