3.2. Рентгеновские спектры
Рентгеновские спектры, спектры испускания и поглощения рентгеновских лучей, т.е. электромагнитного излучения в области длин волн от 10-4 до 103 А. Для исследования спектров рентгеновского излучения, получаемого, например, в рентгеновской трубке, применяют спектрометры с кристаллом-анализатором (или дифракционной решеткой) либо бескристальную аппаратуру, состоящую из детектора (сцинтилляционного, лазерного пропорционального или полупроводникового счетчика) и амплитудного анализатора импульсов. Для регистрации рентгеновских спектров применяют рентгенофотопленку и различные детекторы ионизирующих излучений.
Спектр
излучения рентгеновской трубки
представляет собой наложение тормозного
и характеристического рентгеновского
спектра. Тормозной рентгеновский спектр
возникает при торможении заряженных
частиц, бомбардирующих мишень.
Интенсивность тормозного спектра быстро
растет с уменьшением массы бомбардирующих
частиц и достигает значительной величины
при возбуждении электронами. Тормозной
рентгеновский спектр – сплошной, так
как частица может потерять при тормозном
излучении любую часть своей энергии.
Он непрерывно распределен по все длинам
волн λ, вплоть до коротковолновой границы
(h – постоянная Планка, с – скорость
света, е – заряд бомбардирующей частицы,
V – пройденная ею разность потенциалов).
С возрастанием энергии частиц интенсивность тормозного рентгеновского спектра I растет, а λ0 смещается в сторону коротких волн (рис.3.2.1).
Рис.3.2.1. Распределение интенсивности I тормозного излучения W по длинам волн λ при различных напряжениях V на рентгеновской трубке
С увеличением порядкового номера Z атомов мишени I также растет.
Характеристические
рентгеновские спектры испускают атомы
мишени, у которых при столкновении с
заряженной частицей высокой энергии
или фотоном первичного рентгеновского
излучения с одной из внутренних оболочек
(K-, L-, M-… оболочек) вылетает электрон.
Состояние атома с вакансией во внутренней
оболочке (его начальное состояние)
неустойчиво. Электрон одной из внешних
оболочек может заполнить эту вакансию,
и атом при этом переходит в конечное
состояние с меньшей энергией (состояние
с вакансией во внешней оболочке). Избыток
энергии атом может испустить в виде
фотона характеристического излучения.
Поскольку энергии Е1
и Е2
конечного состояний атома квантованы,
возникает линия рентгеновского спектра
с частотой
.
Все возможные излучательные квантовые
переходы атома из начального К-состояния
образуют наиболее жесткую (коротковолновую)
К-серию. Аналогично образуются L-, M-,
N-серии (рис.3.2.2).
Рис.3.2.2. Схема K-, L-, M-уровней атома и основные линии К- и L-серий
Положение линий характеристического рентгеновского спектра зависит от атомного номера элемента, составляющего мишень.
Каждая серия характеристического рентгеновского спектра возбуждается при прохождении бомбардирующими частицами определенной разности потенциалов – потенциала возбуждения Vq (q – индекс возбуждаемой серии). При дальнейшем росте V интенсивность I линий этого спектра растет пропорционально (V – Vq)2, затем рост интенсивности замедляется и при V ≈ 1IVq начинает падать.
Относительные интенсивности линий одной серии определяются вероятностями квантовых переходов и, следовательно, соответствующими отбора правилами. Кроме наиболее ярких линий дипольного электрического излучения, в характеристическом рентгеновском спектре могут быть обнаружены линии квадрупольного и октупольного электрических излучений и линии дипольного и квадрупольного магнитных излучений.
Рентгеновские спектры поглощения получают, пропуская первичное рентгеновское излучение непрерывного спектра через тонкий поглотитель. При этом распределение интенсивности по спектру изменяется - наблюдаются скачки и флуктуации поглощения, которые и представляют собой рентгеновский спектр поглощения. Для каждого уровня рентгеновского спектра поглощения имеют резкую низкочастотную (длинноволновую) границу vq (hvq = eVq), при которой наблюдается первый скачок поглощения.
Рентгеновские спектры нашли применение в рентгеновской спектроскопии, спектральном анализе.