Физика атома, атомного ядра и элементарных частиц

22 (1). Рентгеновские спектры. Закон Мозли.

В1895г. немецкий физик В.К.Рентген (Roentgen W.), работая с катодной трубкой, обнаружил проника-

ющие лучи, возникавшие в участках трубки, где катодные лучи (электроны) ударялись о стеклян- ную стенку трубки. Так были открыты рентгеновс- кие лучи (сначала они были названы X-лучами, это название иногда применяется и сейчас). Рент- геновские лучи невидимы глазом, но действуют на фотопластинку, ионизируют газы, производят ряд других эффектов, которые мы рассмотрим позднее. По своей природе рентгеновские лучи представляют собой кванты электромагнитного излучения (фотоны, гамма-кванты), т.е. имеют ту же природу, что и свет. Их длина волны ~1Å.

Для генерации рентгеновских лучей исполь- зуются пучки быстрых электронов, получен- ные на ускорителях (например, синхротрон- ное излучение при определенных условиях распространяется и на рентгеновскую часть спектра). Источником рентгеновского излуче- ния являются естественные и искусственные радиоактивные элементы, плазма. В природе источниками рентгеновского излучения явля- ются многие небесные тела (солнце, звезды). Рентгеновские лучи широко применяются как в физике (например, исследование структуры веществ), так и в других областях (в медици- не, технике, химии и др.).

Обычным источником рентге- новских лучей в лаборатории является рентгеновская труб- ка. В простейшем случае это двухэлектродный электрова- куумный прибор с нагревае-

мым катодом. Между анодом и катодом приложе- на высокая разность потенциалов (десятки тысяч вольт). Рентгеновские лучи возникают при бом- бардировке поверхности анода быстрыми элект- ронами.

Различают два типа рентгеновского излучения: тормозное и характеристическое.

Рассмотрим сначала тормоз- ное излучения. Оно возникает, если энергия электронов, испы- тывающих торможение на ано- де, не превышает определен- ной, характерной для вещест-

ва анода величины. Тормозное излучение имеет сплошной спектр, примерный вид которого изобра- жен на рисунке. Пучок электронов, ударяясь об анод, резко тормозится электрическим полем ато- мов. При движении заряженной частицы с ускоре- нием, излучается энергия в виде электромагнит-

ных волн. Величина излучаемой энергии h зави- сит от энергии электрона и условий торможения.

Пример

спектра

тормозного рентгенов- ского излучения

Максимальную энергию излучаемый квант имеет в том случае, если вся кинетическая энергия электрона ушла на его образование:

eU h max

Отсюда получаем формулу для коротковолновой границы тормозного спектра:

Эта формула точно совпадает с эксперименталь- ной. Коротковолновая граница тормозного спек- тра не зависит от вещества анода и определя- ется только ускоряющим потенциалом U.

Распределение интенсивности в тормозном спект- ре, как видно из рисунка, имеет максимум, в сторону коротких волн кривая падает круто и резко обрывается при λ=λk, а в сторону длинных волн интенсивность уменьшается медленно, асимптотически приближаясь к нулю при увели- чении λ. Зависимость интенсивности I (λ) приб- лиженно описывается эмпирической формулой:

а максимум энергии в спектре приходится на дли- ну волны, равную ≈ 1,5 λk.

Характеристическое излучение

Как уже сказано, сплошной спектр возникает в тех слу- чаях, когда энергия бомбар- дирующих анод электронов не превосходит некоторой определенной величины. Если же увеличивать напря- жение в рентгеновской труб-

ке, то при некотором его значении на фоне сплош- ного тормозного спектра появляется излучение в виде ряда резких отдельных линий. Это излучение называется характеристическим, т.к. оно зависит только от вещества анода и не зависит ни от вели- чины ускоряющего напряжения, ни от химического соединения, в котором находится элемент (ме- талл), из которого изготовлен анод.

Каждый элемент дает определенный, только ему присущий линейчатый спектр; линии в спектре расположе- ны закономерно, образуя регуляр- ные последовательности, или серии, находящиеся в различных участках спектра. Самая коротковолновая серия обозначается буквой K, затем по мере увеличения λ – буквами L, M и т.д.