1. Когерентное рассеяние. Эта форма взаимодействия происходит, когда
фотоны рентгеновских лучей имеют меньшую энергию, чем энергия связи электронов с ядром атома. В таком случае, энергия фотона оказывается не достаточной для освобождения электронов из атомов вещества. Фотон не поглощается атомом, но изменяет направление распространения. При этом длина волны рентгеновского излучения остается неизменной.
2. Фотоэлектрический эффект (фотоэффект). Когда фотон рентгеновского излучения достигает атома вещества, он может выбить один из электронов. Это происходит в том случае, если энергия фотона превышает энергию связи электрона с ядром. При этом фотон поглощается, а электрон высвобождается из атома. Если фотон несет большую энергию, чем необходимо для высвобождения электрона, он передаст оставшуюся энергию освобожденному электрону в форме кинетической энергии. Этот феномен, называемый фотоэлектрическим эффектом, происходит при поглощении относительно низкоэнергетического рентгеновского излучения.
3. Некогерентное рассеяние (эффект Комптона). Этот эффект обнаружен американским физиком Комптоном. Он происходит, если вещество поглощает рентгеновские лучи малой длины волны. Энергия фотонов таких рентгеновских лучей всегда больше, чем энергия ионизации атомов вещества. Эффект Комптона является результатом взаимодействия высокоэнергетического фотона рентгеновских лучей с одним из электронов внешней оболочки атома, который имеет сравнительно слабую связь с атомным ядром.
Тормозное рентгеновское излучение
(непрерывный спектр)
а) зависимость интенсивности тормозного излучения Iт от
напряжения между электродами U;
б) влияние атомного номера элемента z на спектральное распределение интенсивности тормозного излучения Iт.
Характеристическое рентгеновское излучение
(непрерывный спектр)
Схема возникновения характеристического рентгеновского излучения: а) в результате выбивания электрона на K-уровне образуется вакансия; б) дырка на K-уровне заполняется электроном с L3-подуровня, что
приводит |
к |
выделению |
энергии |
(ЕK – EL3), |
которая уносится рентгеновским квантом
Мозли измерил частоты рентгеновских переходов для 33 элементов.
Уравнение Мозли
v |
1 |
/ |
2= |
A(Z |
|
|
|||
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
-B |
|
|
|
|
) |
|
|
|
|
, |
|
г |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
д |
– вол |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
а |
е v |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
н |
ов |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
то |
|
|
|
|
|
ое |
|
|
|
|
|
|
|
||||
э |
|
мн |
ы |
й но |
м |
|
|
ч |
исло |
, |
|
|||||||
л |
|
|
|
Z - |
||||||||||||||
|
|
|
|
ер хим |
|
|
||||||||||||
|
|
емента |
, |
|
|
|
и |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
A |
и |
B - к |
|
|
ч |
еско |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
о |
|
|
|
го |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
н |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
с |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
т |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
нты |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
Важность закона Мозли заключается в том, что можно по измеренной частоте рентгеновской линии точно узнать атомный номер исследуемого элемента. Это сыграло большую роль в размещении элементов в периодической системе.
Генри Гвин Джеефрис М оезли (англ. Henry Moseley) — английский физик, один из основоположников рентгеновской спектроскопии.
В 1913 в |
серии |
блестящих экспериментов |
||
установил |
зависимость |
между |
частотой |
|
спектральных |
линий |
характеристического |
||
рентгеновского излучения и |
атомным |
номером |
||
излучающего элемента. |
Зависимость была |
|||
названа |
в |
честь |
первооткрывателя |
|
законом Мозли. Это фундаментальное открытие имело огромное значение для установления физического смысла периодической системы элементов и атомного номера и для подтверждения правильности концепции планетарного атома. По словам американского физика Р. Милликена, открытие Мозли «всегда будет одним из десятка наиболее блестящих по замыслу, изяществу исполнения и информативности в истории науки».
Схемы процессов, лежащих в основе методов спектроскопии a) атомно-
эмиссионной; б) атомно-абсорбционной; в)
атомно-флуоресцентной; г) рентгеновской фотоэлектронной; д) Оже- электронной;
е) рентгенофлуоресцентного анализа; ж) рентгеноэмиссион ного анализа.
Уровни энергии электронов: а– в) валентные; г–ж) внутренние
По своему принципу рентгеновские методы делятся на
рентгеноабсорбционные,
рентгеноэмиссионные и
рентгенофлуоресцентные.
Первые применяют довольно редко, хотя они удобны для определения, например, тяжелых атомов в матрице из легких атомов (свинец в бензине).
Вторые весьма широко используют в варианте микроанализа – электронного зонда.
Наибольшее значение в настоящее время имеют рентгенофлуоресцентные методы.
Рентгеноабсорбционный анализ
При прохождении рентгеновских лучей через вещество их энергия уменьшается из-за поглощения и рассеяния. Ослабление интенсивности параллельного пучка рентгеновских лучей, проходящих через вещество, определяется законом Бугера: I = I0·e-μd, где I0 - начальная интенсивность рентгеновского излучения; I - интенсивность рентгеновских лучей, прошедших через слой вещества, d
– толщина поглощающего слоя, μ - линейный коэффициент ослабления. Он равен сумме двух величин: t - линейного коэффициента поглощения и σ - линейного коэффициента рассеяния: μ=τ+σ В экспериментах обнаружено, что линейный коэффициент поглощения зависит от
атомного |
номера вещества и длины волны рентгеновских лучей: |
τ = kρZ3λ3, |
где k - коэффициент прямой пропорциональности, ρ - плотность |
вещества, Z – атомный номер элемента, λ - длина волны рентгеновских лучей.
В эмиссионных методах для получения спектров необходим предварительный перевод атомов в возбужденное состояние. Для этой цели служат устройcтва, называемые источниками возбуждения: потоки высокоэнергетических частиц или электромагнитного излучения (в случае рентгеновских и атомно-флуоресцентного методов).
Все возрастающее применение среди методов атомной рентгеноэмиссионный микроанализ (микрозонд).
Рентгеноэмиссионный микроанализ – важное средство изучения минералов, горных пород, металлов, сплавов и многих других твердых объектов, прежде всего многофазных. Метод позволяет проводить анализ «в точке» (диаметр – до 500 нм и глубина вплоть до 1–2 микронов) или на участке поверхности за счет сканирования. Пределы обнаружения в этом случае обычно невелики, точность анализа оставляет желать лучшего, но как прием качественного и полуколичественного исследования включений и других неоднородностей электронный зонд давно завоевал общее признание.
рентгенофлуоресцентный анализ основан на том, что при возбуждении у атома удаляются электроны из внутренних оболочек. Электроны из внешних оболочек перескакивают на вакантные места, высвобождая избыточную энергию в виде кванта рентгеновского диапазона или передавая ее другому электорону из внешних оболочек (оже-электрон). По энергиям и количеству испущенных квантов судят о количественном и качественном составе анализируемого вещества. В качестве источников возбуждения применяют
рентгеновское излучение (первичное излучение) или электронный удар.
Для анализа спектра вторичного излучения применяют либо дифракцию рентгеновских лучей на кристалле (волновая дисперсия), либо используют детекторы, чувствительные к энергии поглощенного кванта (энергетическая дисперсия).