Спектр характеристических линий

При определенных значениях напряжения на рентгеновской трубке на фоне непрерывного спектра появляется линейчатый. Длины волн линий этого спектра не зависят от условий работы трубки и определяются только природой вещества анода.

Было показано, что рентгеновские спектры очень просты и аналогичны для всех элементов. Они распадаются на группы линий, называемые в спектральном анализе K, L, M, N и т. д. сериями. Каждая серия состоит из последовательности линий, которая одинакова для всех элементов. Например, для любых простых веществ K-серия линейчатого спектра состоит из четырех линий - a₁, a₂, b₁, b₂, соотношение интенсивностей которых равно 100: 50: 20: 4 соответственно. Это соотношение не зависит от напряжения на трубке и одинаково для всех элементов.

По мере продвижения от начала таблицы Менделеева к ее концу длины волн линий K-серии уменьшаются. Оказалось, что корень из частоты для данной линии в серии линейно растет с увеличением атомного номера элемента. Закон возрастания (закон Мозли) можно записать в виде:

(6)

где C - = [(1/ n ²) – (1/ m ²)]^1/2; n, m – целые числа, для K- серии n = 1, для L -серии n = 2.; i - номер электронной орбиты; s_i - постоянная экранирования, учитывающая, что движущийся по i-орбите электрон испытывает не только притягивающее действие ядра, но и отталкивающее действие электронов, находящихся между данным электроном и ядром. s имеет различные значения для линий разных серий: примерно 1, 13 для линий K-серии и примерно 7, 9 для линий L-серии. На рис. 6 показана диаграмма Мозли для линий K-серии.

Рис. 6. Зависимость корня квадратного из частоты излучения от атомного номера элемента.

Непосредственно из закона Мозли следует, что по длинам волн характеристических спектров можно определить атомный номер элемента, что является основой рентгеноспектрального анализа. Закон Мозли сыграл в свое время очень большую роль в развитии науки: он позволил подтвердить, что пустые клетки в системе элементов Менделеева - это в действительности просто необнаруженные элементы и способствовал открытию гафния (Z=72) и рения (Z=75). Кроме того, было установлено, что на рентгенограммах, полученных Мозли для сложных веществ (в частности, латуни), присутствуют линии, характерные для каждого из компонентов в отдельности, что свидетельствует об атомной природе линейчатого спектра рентгеновских лучей. В результате этот спектр зачастую называют характеристическим. Мы не будем рассматривать природу характеристического спектра. Отметим только, что характеристический спектр рентгеновского излучения соответствует переходу атома из возбужденного состояния в невозбужденное при заполнении электронной вакансии внутреннего уровня, то есть испусканию рентгеновских лучей должно предшествовать удаление электрона из атома. Это удаление может быть осуществлено, в частности, когда ускоренные в рентгеновской трубке электроны достигают энергии, большей, чем энергия связи электронов внутренних уровней атомов анода с ядром. Например, если для рентгеновской трубке с анодом из Мо линии характеристического излучения на фоне сплошного спектра появляются при напряжении U> 20 кВ (рис. 7), причем наиболее интенсивные из них имеют l= 0, 621; 0, 632; 0, 709; 0, 714 ангстрем и относятся к K-серии. Кроме K-серии наблюдается также гораздо менее интенсивная L-серия, длины волн линий в которой больше, чем в K. У тяжелых элементов возникают также М- и N-серии.

Рис. 7. Характеристический спектр Mo на фоне сплошного спектра.

Эксперимент показал, что все линии серии K появляются одновременно при одном и том же напряжении U_oK, называемом потенциалом возбуждения данной серии спектра рентгеновских лучей (табл.1). Потенциал возбуждения - это напряжение на рентгеновской трубке, при котором поток электронов от катода к аноду имеет минимальную энергию, достаточную для возникновения данной серии характеристического спектра и, следовательно, равную энергии связи электрона, находящегося на данном энергетическом уровне атома.

Как видно из закона Мозли, энергия квантов характеристического спектра E ~ Z ², так что различие по энергиям у соседних элементов в Периодической системе, т.е. ~ Z, возрастает с увеличением атомного номера. Таким образом, рентгеноспектральный анализ с дисперсией по энергиям позволяет лучше различать соседние элементы с большими атомными номерами. С другой стороны, длины волн линий характеристического спектра λ ~ Z ^–2, так что ~ Z ^–3, и рентгеноспектральный анализ с дисперсией по длинам волн позволяет лучше различать соседние элементы с малыми атомными номерами.

Таблица 1. Длины волн основных линий K-серии, край полосы поглощения и потенциал возбуждения для некоторых элементов.