7.5.2. Рентгеновское излучение

Большую роль в выяснении строения атома, а именно распределения электронов по оболочкам, сыграло излучение, открытое в 1895 г. Рентгеном и названное затем рентгеновским излучением. Рентгеновским излучением называют электромагнитное излучение с длинами волн в вакууме, лежащими в диапазоне с условными границами от 10 – 100 нм до 0,01 – 1 нм.

7.5.2.1. Тормозное рентгеновское излучение

Самым распространенным источником тормозного рентгеновского излучения является рентгеновская трубка. Рентгеновское излучение возникает при бомбардировке быстрыми электронами твердых мишеней. В рентгеновской трубке такой мишенью является антикатод. В электронных рентгеновских трубках свободные электроны возникают вследствие термоэлектронной эмиссии с нагреваемого электрическим током катода. Если между катодом и антикатодом приложено напряжение электроны разгоняются до энергии Попав в вещество антикатода, электроны испытывают сильное торможение и становятся источником электромагнитных волн.

Спектр тормозного рентгеновского излучения сплошной, но имеет коротковолновую границу , зависящую от величины ускоряющего напряжения Существование коротковолновой границы непосредственно вытекает из квантовой природы излучения. Так как излучение возникает за счет энергии, теряемой электроном при торможении, то величина рентгеновского кванта не может превысить энергию электрона . Отсюда

и, следовательно, длина волны не может быть меньше значения

Характер сплошного спектра не зависит от материала анода, а определяется только энергией бомбардирующих анод электронов. Излучения возникает при торможении электронов из-за взаимодействия с атомами анода. Поэтому сплошной спектр называют тормозным спектром.

При достаточно большой энергии электронов на фоне сплошного спектра появляются отдельные резкие линии. Кроме тормозного излучения, возбуждаются электроны внутренних оболочек атома антикатода, возникает характеристическое рентгеновское излучение.

7.5.2.2. Характеристическое рентгеновское излучение

П ри поглощении атомом порции энергии, достаточной для вырывания одного из внутренних электронов, испускается характеристическое рентгеновское излучение. Спектр характеристического рентгеновского излучения определяется природой вещества, из которого изготовлен антикатод. Характеристический рентгеновский спектр служит однозначной характеристикой атома, его индивидуальность сохраняется и при вступлении атома в химические соединения. По этому по спектральному положению и интенсивности линий характеристического рентгеновского излучения осуществляется рентгеновский спектральный анализ. Длины волн характеристического излучения лежат в диапазоне от 5∙10^-3 нм до 10 нм.

Линии характеристического рентгеновского излучения возникают при переходе электрона с одной из внешних электронных оболочек на вакантное место на внутренней электронной оболочке, более близкой к ядру. Линии характеристического спектра группируются в серии. Серию составляют линии, образующиеся при всех разрешенных переходах электронов с внешних оболочек на одну и ту же вакантную, более близкую к ядру -, -, -, - или - оболочку. Соответственно серии обозначаются буквами (в порядке возрастания длины волны ). Внутри серии линии обозначаются греческими буквами и т.д. ( и т.д.).

Спектры разных элементов имеют сходный характер. При увеличении атомного номера спектр характеристического рентгеновского излучения смещается в коротковолновую часть, не меняя своей структуры. Это объясняется тем, что внутренние электронные оболочки атомов имеют сходное строение. Связь частот спектральных линий характеристического рентгеновского излучения с атомным номером определяется законом Мозли: корень квадратный из частоты характеристического рентгеновского излучения атома химического элемента и его атомный номер связаны линейной зависимостью:

,

г де и константы. Константа – постоянная экранирования, учитывающая влияние на отдельный электрон всех остальных электронов атома, она одинакова для всех линий одной серии, но меняется при переходе от одной серии к другой. Константа имеет свое значение для каждой линии, одинаковое для всех элементов. Зависимость от для линий и серий представлена на графике. Закон Мозли окончательно подтвердил, что порядковый номер элемента определяется не массой ядра, а его зарядом.