Лекция 21. Рентгеновское излучение атомов.

Рассеяние и поглощение рентгеновского излучения.

Рентгеновское излучение (Х–лучи, Рентген, 1895) возникает при бомбардировке быстрыми электронами металлической мишени – анода (антикатод)(рис. 3.16). рентгеновское излучение, так же как свет, имеет электромагнитное происхождение. Однако рентгеновское излучение характеризуется гораздо меньшими длинами волн. Рентгеновское излучение занимает спектральную область между гамма и ультрафиолетовым излучением в диапазоне длин волн от до см.

Источники рентгеновского излучения - рентгеновские трубки,

некоторые радиоактивные изотопы, ускорители заряженных частиц, лазеры рентгеновского диапазона, Солнце и другие космические объекты.

Два типа рентгеновского излучения: тормозное и характеристическое.

Тормозное излучение (рис. 3.17) возникает вследствие замедления электронов в мишени и не зависит от вещества мишени. Спектр тормозного излучения сплошной, потому что переменный ток, связанный с тормозящимся электроном, изменяется монотонно, а не периодически. С увеличением длины волны интенсивность тормозного излучения после максимума монотонно ослабевает. Со стороны коротких длин волн интенсивность резко обрывается – коротковолновая граница (квантовый предел)тормозного излучения. По корпускулярным представлениям энергия кванта излучения будет максимальной, если вся энергия тормозящегося в мишени электрона eV тратится на излучение:

. (3.48)

Определение коротковолновой границы в эксперименте позволяет найти по формуле (3.48) очень точное значение комбинации постоянных hc/e.

С увеличением ускоряющего напряжения на фоне сплошного спектра, начиная с некоторого критического значения, возникают резкие максимумы. Их положение зависит от вещества мишени (рис. 3.17б). Эти максимумы связывают с характеристическим рентгеновским излучением. Оно имеет линейчатый, дискретный спектр. В этом оно аналогично оптическому излучению атомов. Характеристическое излучение также группируется в спектральные серии (рис.3.18). Их обозначение: К – серия, L – серия, М – серия и т.д. (Баркла, 1911). Однако свойства характеристического излучения существенно отличаются от свойств оптического излучения:

I. Характеристическое излучение имеет небольшое число линий;

II. Отсутствует периодичность в рентгеновских спектрах при последовательном прохождении периодической системы. Наблюдается монотонное смещение в коротковолновую часть спектра;

III. Характеристическое излучение является чисто атомным свойством вещества. Оно не зависит от того, находится ли вещество в чистом виде или в каком-либо химическом соединении. Это позволяет проводить анализ состава сложных химических соединений;

IV. Отсутствует обращение спектральных линий. В оптическом диапазоне спектры испускания и спектры поглощения данного атома взаимно обращаемы. Они характеризуются одними и теми же длинами волн. При этом спектры поглощения получаются при пропускании сплошного света сквозь холодные пары атомов. Если пропускать сплошное рентгеновское излучение через вещество, то наблюдаются не линии характеристического излучения, а полосы поглощения.

Механизм возникновения характеристического излучения связан не с периферийными электронами атома, как в случае оптического излучения, а с его внутренними электронами. По интерпретации Косселя (1917) характеристическое излучение происходит в два этапа:

1) бомбардирующий мишень электрон выбивает из атома электрон с какой-то внутренней оболочки. В результате этого атом становится возбужденным, а в оболочке образуется «дырка»;

2) электроны атома с верхних уровней переходят на уровень с «дыркой». Избыток энергии при этом освобождается в виде рентгеновского излучения - возникают K –, L –, M –, N – серии (рис.3.19).

Отдельные линии каждой спектральной серии обозначаются в порядке уменьшения длины волны: . К – серия самая коротковолновая: . Все линии имеют тонкую структуру. Линии К – серии являются дублеты: .

С увеличением энергии электронов, сталкивающихся с

Рис.3.19 мишенью, появляются линии длинноволновых серий,

и в последнюю очередь возникают линии К – серии. Наименьшее значение ускоряющей разности потенциалов, при котором в характеристическом спектре появляются линии некоторой серии - критический потенциал возбуждения этой серии для данного элемента. М – серия имеет 5 критических потенциалов возбуждения, L – серия – 3, К – серия – 1 (рис. 3.19). Потенциал возбуждения К – серии - потенциал ионизации атома. Если возбуждается К – серия, то одновременно возникают все остальные серии данного элемента.

Рентгеновские спектры атомов дают возможность точного определения заряда ядра (порядкового номера элемента в периодической системе Менделеева). Это показал Мозли (1913): частота линий рентгеновского излучения определяется формулой бальмеровского типа. В частности, частота линии равна:

. (3.49)

Z – 1 эффективный заряд ядра, который экранирован одним из электронов К – слоя. Аналогичная приближенная формула получена для линии , при этом эффективный заряд ядра определяется как Z – a, где a – постоянная экранирования. Закон Мозли (рис.3.20):

, (3.49a)

– постоянные.

При прохождении слоя вещества толщиной х интенсивность параллельного пучка рентгеновского излучения ослабляется по закону:

, (3.50)

k – коэффициент ослабления.

Рассеяние излучения вызывается неоднородностями cреды и флуктуациями ее плотности. В рентгеновском диапазоне неоднородности - атомы и электроны в атомах. В случае мягкого рентгеновского излучения, когда его длина волны достаточно велика и превосходит размеры атома, атом рассеивает как целое падающее излучение. Рассеяние когерентно - падающее и рассеянное излучения характеризуются одной и той же частотой (длиной волны). Это – томсоновское рассеяние, сечение которого определяется классическим радиусом электрона.

В случае жесткого рентгеновского излучения (энергия более 10 кэВ)рассеяниестановится некогерентным (Комптон, 1923). Эксперименты Комптона показали, что наряду со смещенной линией рассеяния наблюдается несмещенная линия (рис.3.22). Ее возникновение связано с когерентным рассеянием излучения атомом как целого. При этом, чем более жестким является рентгеновское излучение, т.е. чем больше энергия рентгеновского кванта по сравнению с энергией связи электрона в атоме, тем более справедливо приближение свободного электрона, и тем меньше роль когерентного рассеяния рентгеновского излучения данным веществом. Однако Комптон–эффект играет преобладающую роль при энергии фотонов до 1 МэВ. При больших энергиях более существенным становится другой процесс - рождение пар.

Спектр поглощения рентгеновского излучения составляют полосы. Этим он отличается от оптических спектров поглощения, которые состоят из отдельных линий. Поглощение рентгеновского излучения не зависит от оптических свойств вещества. Например, свинцовое стекло толщиной в несколько миллиметров прозрачно для света, но практически полностью поглощает рентгеновское излучение; алюминиевый листок совершенно не прозрачен для света, но не поглощает рентгеновские лучи. В пределах полосы поглощения коэффициент поглощения рентгеновских фотонов с энергией от до эВ монотонно убывает в соответствии с приближенной формулой (рис.3.23):

, (3.53)

– эмпирическая постоянная. Резкие скачки - края полос поглощения. Они

соответствуют энергии, достаточной для выбивания электронов с М–, L–, K–слоев (критические потенциалы возбуждения М–, L–, K– серий). «Зазубренность» краев полосы: каждая серия, кроме К–серии, имеет несколько критических потенциалов. По значениям этих краев находят энергию связи электронов в слоях и оболочках атомов.

Поглощение рентгеновского излучения может сопровождаться как ионизацией атомов (и появлением фотоэлектронов), так и испусканием излучения более низкой частоты (флуоресценцией). Согласно (3.53) с увеличением энергии фотонов (уменьшением длины волны) поглощение рентгеновского излучения ослабевает. Поэтому коротковолновое излучение обладает большой проникающей способностью (жесткое излучение).Мягкое рентгеновское излучение очень сильно поглощается почти всеми веществами.

Сильная зависимость коэффициента поглощения от частоты

Рис.3.23 используется для изготовления фильтров, отсекающих мягкую

часть спектра. Поглощение рентгеновского излучения - чисто атомное свойство вещества: молекулярный коэффициент поглощения аддитивно складывается из атомных коэффициентов поглощения элементов, входящих в состав данного вещества.

В 1925 г. Оже изучал процесс возникновения электронов при поглощении жесткого рентгеновского излучения атомами криптона. Фотографируя треки возникающих фотоэлектронов в камере Вильсона, Оже обнаружил, что иногда из одной точки выходят следы двух, а не одного электрона. Это Оже–эффект. Механизм возникновения второго, Оже–электрона: Воздействие кванта жесткого рентгеновского излучения на атом приводит к выбросу из него электрона из К-слоя, в котором образуется «дырка». Атом становится ионизованным и сильно возбужденным. Освобождение его энергии в виде рентгеновского излучения не единственный механизм. Энергия возбуждения атома столь высока, что возможен вылет из него второго электрона с L–слоя, причем без излучения кванта . Энергия Оже–электрона еV определяется законом сохранения энергии:

, (3.54)

– энергия фотона, который мог бы излучиться, –энергия ионизации L–электрона. В атоме происходит внутреннее перераспределение энергии, называемое внутренней конверсией, приводящее к выбросу из него Оже–электрона. Атом становится двукратно ионизованным. Оже–эффект рассматривается как проявление общего процесса автоионизации возбужденного атома, который происходит в результате внутренней конверсии. Особенно сильно этот эффект проявляется в случае запрещенных электромагнитных переходов, например, в 0–0 переходах.

Рентгеновское излучение широко используется в самых различных областях науки и техники: в исследованиях электронной структуры атомов, молекул и твердых тел, в медицине, минералогии, материаловедении и т.п. Разработаны разнообразные методы исследований: рентгеновская микроскопия, рентгеновская спектроскопия, рентгеновская топография, созданы многочисленные приборы, в том числе для исследований космических объектов (рентгеновский телескоп), а для исследования биологических объектов - безлинзовый жесткий рентгеновский микроскоп.