§123. Рентгенівські промені

У 1895 р. В.Рентген відкрив випромінювання, яке було названо „ікс-променя­ми”. Рентгенівські хвилі охоплюють широкий інтервал довжин від0,01 до10^-8мкм.

Джерелом рентгенівського випромінювання є рентгенівські трубки. На рис. 309 наведена схема рентгенівської трубки. У скляну трубку, в якій створено вакуум~10^–6 мм рт ст.,введено анод А і катод К, що є джерелом електронів. Між катодом і анодом створюється сильне електричне поле з різницею потенціалів U~10-50 кВ. Електрони, які набули високих енергій у приско­рюючому електрич­ному полі, бомбар­дують анод А, пло­щина якого утворює з напрямком руху електронів кут. Внаслідок цього рентгенівське випрозмінювання, що виникає при гальмуванні електронів анодом, виходить із трубки через отвір захисного свинцевого екрану Е. Коефіцієнт корисної дії рентгенівських трубок становить близько 1 %, тобто 99 % кінетичної енергії електронів перетворюється в аноді у теплоту. Тому в тілі анода роблять канали, в яких циркулює охолод­жуюча рідина. За принципом отримання електронних пучків рентгенівські трубки поділяють на три типи: іонні, електронні, індукційні. Джерелами рентгенівського випромінювання також можуть бути природні або штучні радіоактивні елементи, ряд небесних тіл.

Рентгенівське випромінювання, яке виникає в результаті гальмування електронів, називається гальмівним. Виникнення гальмівного випромінювання можна пояснити так. Рухомі електрони утворюють навколо себе магнітне поле. Різка зміна швидкості електронів при ударі в анод рівносильна ослабленню і зникненню струму, що приводить до зміни магнітного поля, в результаті чого і виникають електромаг­нітні хвилі.

Гальмівне випромінювання має суцільний спектр. Це пояснюється тим, що одні електрони гальмуються швидше, а інші повільніше. Це приводить до виникнення електромагнітного випромінювання з різними довжинами хвиль. За квантовою теорією енергія фотона рентгенівського випромінювання

де – кінетична енергія електрона перед ударом в анод, аА– енергія, яка перетворюється в теплоту. Оскільки величинаАмає різні значення, то і енергіяможе бути різною.

На рис. 310 зображені експериментальні криві розподілу інтенсивності рентгенівського випромінювання за довжинами хвиль при ударі електронів у вольфрамовий анод при різних значеннях прискорюючої напругиU, а на рис. 311 – при ударі у анод з вольфраму, молібдену і хрому при однакових напругахU.

Характерною особливістю суцільних рентгенівських спектрів є наявність чіткої короткохвильової межі та її незалежність від речовини анода. При підвищенні напруги інтенсивність випромінювання збільшується, а короткохвильова межа зміщується у бік коротких хвиль.

Існування короткохвильової межі в рентгенівському спектрі пояснюється так. Енергія електрона при ударі у анод може повністю перейти в енергію випромінювання, тобто

Оскільки , то

і.

Отже, мінімальна довжина хвилі гальмівного випромінювання обернено пропорційна прискорюючій напрузі U.

При підвищенні напруги на рентгенівській трубці до величини, більшої за деяке критичне значення, що залежить від речовини анода, на фоні суцільного спектра виникають лінійчасті спектри, інтенсив­ність яких у тисячі разів перевищує інтенсивність суцільного спектра. Оскільки лінійчастий спектр визначається природою речовини, з якої виготовлено анод, то його називають характеристичним.

З рис. 311 видно, що для напруги, при якій рентгенівська трубка з анодом вольфраму і хрому випромінює суцільний спектр, трубка з молібденовим анодом, крім суцільного, випромінює ще лінійчастий спектр.

Існування характеристичного вип­ромінювання підтверджує наявність дискретних рівнів енергії атомів.

Кожний хімічний елемент дає ха­рактеристичне рентгенівське випромінювання незалежно від того, чи його атоми вільні, чи входять до складу хімічних сполук.

Рентгенівські спектральні лінії утворюють певні серії, які позначають бук­вами і т. д. Кожна серія має невелику кількість ліній, які позначають у порядку зменшення довжини хвилі індексамиі т.д. Лінійчасті рентгенівські спектри різних речовин подібні між собою. Це зумовлено подібністю забудови нижніх (найближчих до ядра) шарів електронів в атомах. При збільшенні атомного номеру речовини анода весь рентгенівський спектр лише зміщується в короткохвильову частину спектра, не змінюючи своєї структури. Це можна пояснити тим, що лінійчасті рентгенівські спектри утворюються внаслідок переходів електронів у внутрішніх шарах атомів. Механізм виник­нення лінійчастих спектрів можна пояснити так. Якщо під впливом падаючих елек­тронів високих енергій на атоми анода вибивається один із двох електронів-стану-оболонки, то звільнене місце може зайняти електрон з якої-небудь зовнішньої оболонки (L, M, N,і т.д.). При цьому виникає-серія. Аналогічно виникають й інші серії. Схема виникнення спектральних серій показана на рис. 312.

Серія Kобов’язково супроводжується іншими серіями, оскільки при випромінювані її ліній звільняються рівні в оболонкахL, M,і т.д., які будуть заповнюватися електронами із більш віддалених оболонок. Частоти ліній зростають при переході від лініїдо,,..., що пов’язано із збільшенням енергії, яка вивільняється при переході електрона наK-оболонку з дедалі більш віддалених оболонок. А інтенсивності ліній спадають при переході від лініїдо ліній,, бо ймовірність переходу наK-оболонку зL-оболонки більша ніж зM-,N, і т.д. Ці закономірності справедливі дляL-, M- та інших серій.

При дослідженні лінійчастих рентгенівських спектрів Г. Мозлі в 1913 р. встановив закон, який виражає зв’язок між хвильовим числом спектральної лінії і атомним номеромZелементу, який випромінює ці лінії. Так, для- лінії ця залежність має вигляд

,

де R- стала Рідберга.

Для ліній інших серій ця залежність виражається подібними формулами. Так, для ліній L-серії закон Мозлі має вигляд

,

де – стала екранування, яка має певне значення в межах однієї серії.

Зміст сталої екранування полягає в тому, що у важкому атомі, який має електронів, на електрон, що здійснює, нап­риклад, перехід, який відповідає лінії, діє не весь заряд ядраZe, а заряд, ослаблений екрануючою дією одного електрона, що залишився наK-оболонці.

Узагальнений закон Мозлі має виг­ляд

,

де m=1, n=2, 3, 4,…для лінійK-серії,

m=2, n=2, 3, 4,…для лінійL-серії,

m=3, n=2, 3, 4,…для лінійМ-серії.

Для K-серії, дляL- серії.

У загальному вигляді закон Мозлі записують і так:

,

де – частота,а – стала для певної серії ліній.

Закон Мозліможна сформулювати так:корінь квадратний із частоти є лінійною функцією атомного номера Z.

На рис. 313наведений загальний хід залежностідля-,- і- лінії від атомного номераZ.

Закон Мозлі дозволяє за виміряною довжиною хвилі рентгенівських ліній точно встановити атомний номер даного елементу. Цей закон відіграв велику роль при розміщенні елементів в періодичній системі. На основі цього закону вперше було показано, що не атомна маса, а атомний номер, який дорівнює заряду ядра, визначає хімічні властивості атомів.