Характеристическое излучение элементов

В результате фотоэффекта электрон выбрасывается за пределы атома, т. е. происходит ионизация атома. Поскольку электроны, окружающее атомное ядро, находятся на определенных энергетических уровнях (K, L, M и т. д.), при удалении одного из электронов, образуется вакансия и атом оказывается в возбужденном состоянии. Всякое возбужденное состояние энергетически неустойчиво и через очень короткий промежуток времени (от 10−16 до 10−7 сек) происходит заполнение образовавшейся вакансии электроном с более удаленного уровня, понижая возбуждение. Разность энергий, между уровнями с которого электрон перешел на другой, высвобождается испусканием фотона характеристического излучения. Так как энергетические уровни электронных оболочек для каждого вещества имеют строго фиксированные значения, то и энергия излучения фотона для каждого элемента строго фиксирована (характерна).

Согласно квантовой теории, электроны в атоме располагаются на стационарных орбитах, заполнение которых идет с орбиты с минимальным уровнем энергии. Для характеристик этих энергетических уровней служат так называемые квантовые числа: n — главное квантовое число, равное 1, 2 … 0;

l — орбитальный момент, l = n-1, n-2 … 0; mL — магнитный момент, mL = ±?l?, = ±?l-1? …0; s — спиновое число, равно ±½.

Разрешен переход с уровня на уровень при выполнении условия ДmL = ±1.

Характеристическое излучение, испускаемое атомами, имеет линейчатый дискретный спектр, который состоит из нескольких групп или серий линий (K-, L-, M-серии и т. д.). Наиболее высокоэнергетичной (до нескольких десятков Кэв) является К-серия, далее, в порядке уменьшения, следуют L-серия (до 10 Кэв), M-серия (до 1 Кэв) и т. д.

Излучение К-серии возникает при переходе электрона с более удаленного уровня на К-уровень, при этом энергия испускаемого кванта равна разности энергий уровня, из которого вышел электрон и К-уровня. В том случае, когда появляется вакансия на L-уровне, возникают линии спектра L-серии. При этом неважно, удален ли электрон с L-уровня вследствие внешних причин (фотоэффекта) или в результате перехода электрона с L-уровня на К-уровень. Если атомы данного элемента испускают линии К-серии, то при наличии возможности, в спектре всегда будут присутствовать линии L-серии.

Спектры характеристического излучения данной серии для различных элементов одинаковы по структуре, то есть по числу и взаимному расположению линий, и отличаются друг от друга только энергией. Наименьшее число линий имеет К-серия (б1, б2, в1, в2), причем Eв2 > Eв1 > Еб1 > Eб2. В связи с тем, что вероятность переходов электронов с уровня на уровень разная, при возбуждении большого количества фотонов всех линий К-серии, интенсивность их будет различной. Соотношение интенсивностей К-серии для одного и того же вещества такова: Кб1: Kб2: Kв1: Kв2? 100: 50: 25: 5. Аналогичные условия выполняются и для L-серии: Lб1−2: Lв1−4: Lг? 100: 80: 9.

При заполнении вакансии электроном с более высокого уровня не всегда возникает фотон характеристического излучения. В некоторых случаях избыток энергии атома может уноситься не фотоном, а электроном (эффект Оже). Такой переход между двумя состояниями атома называется безрадиационным и его можно рассматривать как внутриатомное поглощение характеристического излучения. Если с К-уровня удален электрон, то возникающий фотон характеристического излучения обладает энергией, достаточной для возбуждения L-уровня. В результате такого внутриатомного фотоэффекта фотон К-серии поглощается и атом испускает L-электрон (оже-электрон). L-уровень оказывается в состоянии двойной ионизации и атом переходит в нормальное состояние путем излучения фотона L-серии или безрадиационным путем, с испусканием еще одного электрона с более удаленного уровня.

Эффект Оже конкурирует с процессом образования фотонов характеристического излучения и приводит к снижению выхода характеристического излучения (Х.И.). Отношение числа атомов, испустивших Х.И. (Nqx) к общему числу атомов, возбужденных на q-уровень (Nq) определяет коэффициент выхода Х.И. для q-уровня: Wq = Nqx / Nq. Приблизительное значение этого коэффициента можно найти по эмпирической формуле:

где aq для К-серии равно aK = 1.06*106, для L-серии aL = 108. Таким образом эффект Оже более существенен для легких элементов (Z < 20), и для L-уровня коэффициенты выхода Х.И. в несколько раз меньше, чем для К-уровня.

Полное сечение взаимодействия г-излучения с веществом.

Элементарные процессы взаимодействия г-квантов с веществом не зависят друг от друга, поэтому полное сечение взаимодействия равно сумме трех сечений: м = ук + ут + уф, где индексы к, т, ф относятся, соответственно, к комптоновскому и томсоновскому рассеяниям и фотоэффекту. м называют коэффициентом ослабления г-излучения. Его размерность равна обратной длине (см-1).

Для плоскопараллельного пучка г-квантов, испытывающих однократное взаимодействие, справедливо выражение N=N0exp (-мx), где N0 — кол-во г-квантов до взаимодействия, N — после взаимодействия, м — коэффициент ослабления, характеризующий поглощающие свойства среды, х — толщина поглотителя. Значение м возможно рассчитать через параметры среды:

.

где с — плотность, NA — число Авогадро, А — атомный вес среды, Z — порядковый номер элемента в таблице Менделеева, уф — сечение фотоэффекта и ук — сечение комптоновского рассеяния. Так как м пропорционально плотности, иногда удобнее рассматривать массовый коэффициент ослабления к, равный k = м / с. Для сложной среды массовый коэффициент ослабления г-излучения равен:

где i — количество компонент (элементов) среды, pi — весовая доля каждой компоненты, ki — коэффициент ослабления i-компоненты.

Выше было показано ослабление г-излучения в случае однократного взаимодействия. В реальных средах такое допущение очень грубое, поэтому расчет ослабления потока г-квантов ведется по функции Кинга. Функция Кинга табулирована и представлена в справочниках.