2.4. Природа рентгеновского спектра.

Встав на позиции представлений Нильса Бора о природе линейчатых спектров, объясним факт существования спектра характеристического излучения. Быстрые электроны, проникая в атом на большую глубину, выбивают электроны из слоев K, L, M, ближних к атомному ядру, затрачивая на это необходимую часть своей кинетической энергии. Вакантные места практически тут же занимают электроны более отдаленных орбит или свободные электроны из ближайшего окружения атома, испуская при этом кванты строго определенной частоты, длины волны и энергии. Для значений длины волны ₁ и ₂ на рис. 4 энергия квантов:

;

Мы повторяем здесь рассуждения, предложенные Нильсом Бором для объяснения линейчатых спектров светового излучения атомов. Факт существования рентгеновского характеристического спектра излучения показывает, что в глубине многоэлектронных тяжелых атомов, вблизи ядер таких атомов, действуют те же принципы и правила, что и во внешних оболочках.

На схеме рис.4 ₁ – линия характеристического излучения, соответствующая выбиванию электрона, находившегося на К-оболочке, ближней к ядру. Но мы видим, что _min  ₁, и это означает, что быстрые электроны могут проникать в атом глубже, чем К-оболочка. Такие электроны, пройдя без взаимодействия через все электронные оболочки (так иногда складывается в этом вероятностном мире); оставившие позади все преграды электронных слоев, - все же вынуждены тормозиться. Всю свою кинетическую энергию eU они отдают квантам с максимально возможной энергией h_max и, соответственно, с самой короткой волной _min – граничной для непрерывного спектра.

Возникает вопрос, а чего ради электрону, прошедшему сквозь преграды, вообще тормозиться? Ведь он знает закон Кулона не хуже нас с Вами, и ему, подчиняясь этому закону, следовало бы, наоборот, разгоняясь, плюхнуться в ядро, и там соединиться с одним из протонов, по хорошо изученной (на свободных протонах, в ускорителях) схеме:

При этом ядро вольфрама стало бы ядром тантала .

Однако что-то в ядре вольфрама устроено так, что наш сценарий неприемлем. Квантовая механика не отменяет ни закон Кулона, ни классические законы электродинамики. Она лишь накладывает ограничения на диапазоны их применимости в условиях атома, молекулы, кристалла. Каждое такое ограничение – выстраданный факт, имеющий серьезнейшее экспериментальное обоснование.

Для быстрого электрона, прошившего все электронные оболочки атома вольфрама и оказавшегося в ближайших окрестностях атомного ядра, таким ограничительным фактом является то, что его проникновение в ядро неприемлемо по обстоятельствам внутриядерной обстановки. Будь эта обстановка иной, и электрон был бы принят. (Подобные процессы известны с 1937 года. Они называются «электронный захват»). В случае с ядром вольфрама проникновение электрона в ядро неприемлемо. Как это доводится до сведения электрона, дошедшего почти до самого ядра – дело темное. Но электрон тормозится, отдав в одном эпизоде всю свою энергию кванту максимально жесткому: , отсюда

(2)

Здесь с – скорость света в вакууме.

Формула (2) объясняет пятое свойство спектра рентгеновского излучения в предыдущем разделе.

Проследим, как выглядит уход из атома быстрого электрона, потерявшего при торможении всю свою энергию.

При скорости тормозящегося электрона V  0 длина волны де-Бройля, характеризующая волновые свойства частицы ( =h/mV), становится все больше, и на какой-то стадии торможения длина волны де-Бройля становится больше поперечника атома. Это значит, что вероятность обнаружения электрона внутри атома уменьшается, а вероятность найти его вне атома, наоборот, растет. При скорости электрона V = 0 вероятность его пребывания в атоме становится равной нулю. Вот так: электрон как бы плавно исчезает в одном месте и появляется в другом. Описание, как он, уходя, уворачивался от орбитальных электронов, не потребовалось.

Наличие непрерывной компоненты спектра и большой тепловой эффект, имеющий место при торможении электронов, объясняется громадным числом способов, которыми быстрый электрон может по частям растерять свою кинетическую энергию при взаимодействиях с верхними и средними электронными слоями многоэлектронных атомов. В частности, взаимодействие с внешними слабосвязанными слоями дает световое излучение, а как распространяется свет в металлах, известно: никак не распространяется; тут же превращается в теплоту.