Рентгеновские спектры. 
Физика

Рентгеновское излучение открыто немецким физиком В. Рентгеном в 1895 г. Этот вид электромагнитного излучения обычно создается в рентгеновских трубках, на электроды которых подается высокое напряжение U (обычно десятки киловольт и более). При этом внутри трубки возникает поток ускоренных электронов с энергией десятки килоэлектронвольт и более, при взаимодействии которых с веществом анода и возникает рентгеновское излучение с длинами волн в диапазоне примерно 10 ¹²—10^-8 м (рис. 38.1). Оно состоит из двух составляющих.

Первая составляющая генерируется при резком торможении ускоренных электронов в поле ядер атомов вещества анода и называется тормозным излучением. Вторая составляющая создается переходами электронов в атомах вещества анода, инициированными потоком ускоренных электронов, и называется характеристическим излучением. Поскольку при взаимодействии ускоренных электронов с веществом анода выделяется большая энергия, то требуется хороший теплоотвод, и анод обычно изготавливают из тугоплавкого вещества, например вольфрама или платины.

Тормозное излучение имеет непрерывный спектр. Возникновение его обусловлено тем, что при торможении движущегося заряда уменьшается магнитная индукция и в соответствии с теорией Максвелла возникает электромагнитная волна. Этот спектр имеет отчетливую коротковолновую границу, определяемую в квантовой физике ситуацией, когда вся кинетическая энергия eU резко тормозящегося электрона переходит в энергию фотона hc/X

откуда имеем для коротковолновой границы спектра тормозного излучения

Коротковолновая граница, да и распределение тормозного излучения по длинам волн определяются энергией ускоренных электронов и не зависят от вещества анода. Материал анода определяет лишь суммарную интенсивность тормозного излучения.

Характеристическое излучение возникает в результате выбивания ускоренным электроном электронов с нижних слоев атомов. Образующиеся вакансии заполняются при переходах электронов с более высоких слоев, что сопровождается генерацией уносящего избыточную энергию фотона. Спектр энергий таких фотонов является дискретным, поскольку определяется разницей дискретных уровней энергии атома. Так К-серия характеристического излучения возникает при переходах электрона на вакансию /С-слоя из слоев L, М, N,…, Т-серия возникает при переходах электрона на вакансию 1-слоя из слоев М, N,… и т. д. Каждая серия состоит из небольшого набора отдельных линий, обозначаемых в порядке убывания длины волны индексами а, р, у,… (К_а, K_w,…). При увеличении заряда ядра элемента растет энергия нижних электронных уровней и спектр характеристического излучения смещается в коротковолновую область.

Особенности спектров характеристического излучения были объяснены английским физиком Г. Мозли в 1913 г. на основе планетарной теории атома Бора и усовершенствования формулы Ридберга. В соответствии с законом Мозли частота линий характеристического рентгеновского излучения может быть найдена по формуле.

где R — постоянная Ридберга; а — постоянная экранирования; т= 1, 2, 3,… (определяет рентгеновскую серию по нижнему энергетическому состоянию); п: = т + 1, т + 2, т + 3,… (определяет линию соответствующей серии по верхнему энергетическому состоянию). Смысл постоянной экранирования заключается в том, что поле ядра в области внутренних оболочек несколько ослабляется (экранируется) электронами нижних оболочек. Поэтому вместо зарядового числа ядра Z энергетические уровни атома определяются ослабленным эффективным зарядовым числом ядра.

Например, для K-cepim а ~ 1. Закон Мозли проиллюстрирован на рис. 38.2 качественной зависимостью Д_)фф от Z для К-, L- и М-серий характеристического рентгеновского излучения.

Рис. 38.2.