Характеристичне рентгенівське випромінювання, його природа. Закон Мозлі.

Характеристичний спектр виникає тому, що частина бомбардуючих електронів проникає в атоми антикатода і збу­джує їх. Причому електронні переходи відбуваються в надрах атомів, тобто в оболонках, ближчих до ядра – К, L, М. Тому енергія квантів рентгенівських променів більша від енергії квантів видимого світла, так як останні одержуються при електронних переходах між зовнішніми оболонками атома, тобто на його периферії.

Мал. 10.3. Розподіл інтенсив­нос­ті по спектру випромінювання рентге­нівської трубки з вольфра­мовим анодом.

Характеристичне випромінювання має лінійчастий спектр. Свою назву воно дістало тому, що цей тип рентгенів­ського випромінювання характеризує речовину антикатода і його вид не залежить від того, чи елемент знаходиться у віль­ному або хімічно зв’язаному стані. Характеристичні лінії завжди виникають на фоні непе­рервного спектра.

На мал. 10.3 зображено графік розподілу інтенсивності по спектру випромінювання рентгенівської трубки з вольф­рамо­вим анодом при U_а = 168 кВ. Цей графік наочно ілюструє той факт, що загальний спектр включає в себе як неперервний спектр, так і характеристичні лінії К -серії. На ділянці неперервного спектра, розміщеного зліва від накладених на нього спектральних ліній, видний “про­вал”. Ця відсутня енергія пішла на збудження сусідніх спектральних ліній.

На мал. 10.4 схематично зображено виникнення різних серій характеристичних рент­­­ге­­нівських променів. В ато­мах з більшим атом­­ним но­ме­ром внут­ріш­ні електрон­ні обо­лонки Κ;, L, Μ; повністю запов­нені електронами. При ви­лу­чен­ні електрона з однієї із внутрішніх обо­лонок на звіль­нене міс­це пере­ходить елект­рон з більш віддаленої від ядра обо­лон­ки і ви­промінюється рентгенів­ський квант. Пе­ре­ходи, що закін­чуються на К -оболонці, да­ють К -серію характе­рис­тич­ного спект­ра, яка складається з трьох ліній:

– відповідає переходу з L -оболонки на К -оболонку,

– відповідає переходу з М -оболонки на К -оболонку,

– відповідає переходу з N -оболонки на К -оболонку.

Переходи, що закінчуються на L -оболонці та М -оболон­ці, дають відповідно L -серію і М -серію характери­тичного рент­­ге­нівського спектра. Характеристичний спектр склада­ється із 8–10 ліній, що утворюють К, L, Μ; серії. Для важких елементів в кожну се­рію входять три лінії α;, β;, γ;. Найінтен­сивніша в характеристи­чному спектрі -лінія, так як ймовір­ність переходів на К -оболонку з L -оболонки більша, ніж з Μ;, Ν; та інших більш від­далених оболонок.

Для кожного атома існує межа збудження К -серії. Наприклад, для ртуті () вона становить біля 82 кеВ. Це зв’язано з тим, що для вири­вання електрона із най­ближчої до ядра К -обо­лонки, на якій елект­рони найсильні­ше при­тя­­гую­ться до ядра, не­об­хідна значна енергія, яка іде на виконання ро­бо­ти по ви­ри­ванню елект­ро­на. Тому лінії характе­ристичного спектра з’я­вля­ються тіль­ки при на­пру­зі на рентгенівській труб­ці, яка більша пев­но­го значення для кожного матеріалу анода.

Закон Мозлі. В 1913 р. англійський фізик Мозлі, дослід­жуючи залежність довжини хвилі характерис­тичних проме­н­ів від атомного номера Ζ; різних елементів, встановив співвідношення, які назива­ють­ся законом Мозлі:

для К _a-лінії, (10.4)

для L -cерії,

де – стала Рідберга, σ; – постійна величина, яка зветься сталою екранування (для лінії σ; = 1, для L-серії σ; = 0.75).

На мал. 10.5 зображено так звану діаграму Мозлі, яка ілю­струє для ліній лінійну залежність від атом­ного но­мера Z. Послідовне застосування формули Мозлі до елементів періодичної системи Менделєєва підтвердило в свій час зако­номірне зростання на одиницю заряду ядра при переході від одного елемента до наступного. Це стало при­родничо-науковим підтвердженням справедливості ядер­­­­ної моделі ато­ма і періодичного закону Д.І. Менде­лєєва.