54.Тормозное излучение. Коротковолновая граница сплошного рентгеновского излучения. Рентгеновская трубка.

Тормозное излучение — электромагнитное излучение, испускаемое заряженной частицей при еѐ рассеянии (торможении) в электрическом поле. Иногда в понятие «тормозное излучение» включают также излучение релятивистских заряженных частиц, движущихся в макроскопических магнитных полях (в ускорителях, в космическом пространстве), и называют его магнитотормозным; однако более употребительным в этом случае является термин «синхротронное излучение».

Наличие коротковолновой границы можно объяснить следующим образом. Все электроны у поверхности анода обладают одинаковой кинетической энергией, которую они приобретают, двигаясь в ускоряющем поле между анодом и катодом. Но фотоны рентгеновского спектра торможения будут обладать различными энергиями, а, значит, и различными длинами волн, поскольку каждый отдельный электрон по-разному взаимодействует с атомами анода. Кинетическая энергия электронов, бомбардирующих поверхность анода, при их торможении полностью или частично превращается в энергию рентгеновских квантов:mV2/2 = hn + P где Р - часть энергии электрона, не превратившаяся в излучение (перешедшая, например, в тепловую энергию), h - постоянная Планка, n - частота РЛ.В итоге в сплошном спектре излучения рентгеновской трубки возникнут фотоны различных энергий (частот), вплоть до некоторой максимальной, характеризующей полный переход кинетической энергии электрона в энергию рентгеновского кванта. Фотоны с максимальной энергией hn max будут обладать минимальной длиной волны, которая и определяет коротковолновую границу непрерывного спектра:mV2/2 = eU = hn max. (3)Из этого равенства следует:lmin= с/n max = hc/eU = 12,4Å/U. (4)Появление же максимума интенсивности Imax в сплошном спектре I(l ) является следствием того, что из всего разнообразия процессов взаимодействия электронов с атомами анода имеются наиболее предпочтительные (вероятные) для данной величины анодного напряжения. Поэтому большинство возникших рентгеновских квантов имеют длины волн в некоторой области вблизи Imax

Рентгеновская трубка – электровакуумный прибор, служащий источником рентгеновского излучения.

Схема рентгеновской трубки для структурного анализа: 1 — металлический анодный стакан (обычно заземляется); 2 — окна из бериллия для выхода рентгеновского излучения; 3 — термоэмиссионный катод; 4 — стеклянная колба, изолирующая анодную часть трубки от катодной; 5 — выводы катода, к которым подводится напряжение накала, а также высокое (относительно анода) напряжение; 6 — электростатическая система фокусировки электронов; 7 — анод (антикатод); 8 — патрубки для ввода и вывода проточной воды, охлаждающей анодный стакан.

55. Опыты Франка ГерцаОпыт Франка — Герца — опыт, явившийся экспериментальным доказательством дискретности внутренней энергии атома. Поставлен в 1913 Дж. Франком и Г. Герцем.В опыте наблюдался монотонный рост I при увеличении ускоряющего потенциала вплоть до 4,9 в, то есть электроны с энергией Е < 4,9 эв испытывали упругие соударения с атомами Hg и внутренняя энергия атомов не менялась. При значении V = 4,9 в (и кратных ему значениях 9,8 в, 14,7 в) появлялись резкие спады тока. Это определѐнным образом указывало на то, что при этих значениях V соударения электронов с атомами носят неупругий характер, т. е. энергия электронов достаточна для возбуждения атомов Hg. При кратных 4,9 эв значениях энергии электроны могут испытывать неупругие столкновения несколько раз.Таким образом, опыт Франка - Герца показал, что спектр поглощаемой атомом энергии не непрерывен, а дискретен, минимальная порция (квант электро-магнитного поля), которую может поглотить атом Hg, равна 4,9 эВ. Значение длины волны λ = 253,7 нм свечения паров Hg, возникавшее при V > 4,9 В, оказалось в соответствии со вторым постулатом Бора,где E0 и E1 — энергии основного и возбужденного уровней энергии. В опыте Франка — Герца, E0 — E1 = 4,9 эв.Артур Комптон, повторив (1922—1923) опыт Франка — Герца, обнаружил, что при V > 4,9 в пары Hg начинают испускать свет с частотой n = DE/h, где DE = 4,9 эв (h — постоянная Планка). Таким образом, возбуждѐнные электронным ударом атомы Hg испускают фотон с энергией 4,9 эв и возвращаются в основное состояние.В 1925 г. Густав Герц и Джеймс Франк были награждены нобелевской премией за открытие законов соударения электрона с атомом.

56. Энергия и импульс светового кванта.Энергия кванта , излучаемая или поглощаемая гармоническим осциллятором частоты : -формула Планка, где - универсальная постоянная, получившая название постоянной Планка. =6,626176(36)×10-27эрг×сЕсли фотон обладает энергией, то он должен обладать и импульсом, как этого требует теория относительности. Импульс фотона проявляется, например, в давлении света. Связь между энергией и импульсом при движении частицы в теории относительности выражается формулой: . Фотон движется в вакууме со скоростью света c, т.е. является релятивистской частицей. Если бы масса покоя фотона m0 была отлична от нуля, то релятивистская массабыла бы бесконечно велика. Поэтому надо допустить, что для фотона m0=0. В результате предыдущее соотношение запишется в виде(знак минус при извлечении квадратного корня следует опустить, принимая, что импульс фотона направлен в сторону распространения света).

57. Момент импульса частицы. Орбитальное квантовое число. Магнитное квантовое число.Момент импульса L частицы относительно некоторого начала отсчѐта определяется векторным произведением ее радиус-вектора и импульса: где — радиус-вектор частицы относительно выбранного неподвижного в данной системе отсчета начала отсчѐта, — импульс частицы.В системе СИ момент импульса измеряется в единицах джоуль-секунда; Дж·с.Из определения момента импульса следует его аддитивность. Так, для системы частиц выполняется выражение:.Орбитальное квантовое число (азимутальное) - определяет азимутальное распределение плотности вероятности локализации электрона в атоме, то есть форму электронного облака и определяет энергетический подуровень данного энергетического уровня. определяет механический момент электрона в атоме.Связано с n -главным (радиальным) квантовым числом соотношением: В магнитном поле число линий в спектрах испускания возрастает. Спектры становятся сложными, но можно показать, что каждая p-линия распадается в магнитном поле на 3 новых линии, каждая d-линия - на 5, каждая f-линия - на 7 линий, а s-линии не изменяются. Поскольку орбитали атома становятся "видны" только в магнитном поле, очередное квантовое число, записывающее “адрес” орбитали в атоме, назвали магнитным квантовым числом m. Это квантовое число принимает целые значения от -l до +l (где l - орбитальное квантовое число), то есть имеет ровно столько значений, сколько орбиталей существует на каждом подуровне.

58.Спин электрона. Принцип Паули. Правило отбора при излучении и поглощении света атомом.В теории элементарных частиц обычно предполагается, что фотон, электрон и кварки не делятся на более мелкие части и являются самыми «элементарными». Однако спин, который приписывается этим частицам, слишком велик, чтобы его можно было объяснить вращением составляющего вещества при известных оценках размеров частиц. Поэтому для этих частиц спин полагается некоторым внутренним свойством, наподобие массы и заряда, требующим особого, пока ещѐ не известного обоснования.

В квантовой механике спиновый момент импульса любой системы квантуется. Амплитуда или длина вектора спинового момента в каждом состоянии равна: где есть постоянная Дирака, а спиновое квантовое число s является положительным целым или полуцелым числом (0, 1/2, 1, 3/2, 2, ...) и зависит от типа частицы. В противоположность этому орбитальный момент импульса имеет только целые квантовые числа. - спин электрона в единицах Принцип Паули (принцип запрета) — один из фундаментальных принципов квантовой механики, согласно которому два и более тождественных фермиона не могут одновременно находиться в одном квантовом состоянии: волновая функция системы фермионов является антисимметричной относительно их перестановок, поведение систем таких частиц описывается статистикой Ферми — Дирака.Принцип Паули можно сформулировать следующим образом: в пределах одной квантовой системы в данном квантовом состоянии может находиться только одна частица, состояние другой должно отличаться хотя бы одним квантовым числом.Правилами отбора в спектроскопии называют ограничения и запрет на переходы между уровнями квантомеханической системы с поглощением или излучением фотона, наложенные законами сохранения и симметрией.