Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 5. Атомная и ядерная физика (1121281), страница 73
Текст из файла (страница 73)
Это явление аналогично рассеянию видимого света в мутных средах. Но в случае видимого света мутное гь среды вызывается либо наличием в среде посторонних частиц с другим показателем преломления, либо (при отсутствии таких частиц) флуктуациями плотности самого вещества (см. т. [Ч, З 98). Рассеяние на флуктуациях плотности называется молекулярным или релеевским. Для рентгеновских же лучей ввиду малости их длин волн всякая среда является сильно мутной.
Здесь роль неоднородностей, вызывающих рассеяние, играют не малые макроскопические кусочки вещества, а отдельные атомы и даже электроны в атомах. В случае мягкого рентгеновского излучения, когда длина волны больше или сравнима с размерами атома, электроны в атоме ведут себя как связанные — атом рассеивает как целое, а потому волны, рассеиваемые отдельными электронами атома, когерепгпны. В противоположном случае очень жестких рентгеновских лучей длина волны мала по сравнению с размерами атома.
Тогда на электронах атома происходит некогерснтное комптоновское рассеяние. Количественное различие в рассеянии видимого света и рентгеновского излучения можно иллюстрировать следующим примером. Параллельный пучок видимого света вследствие молекулярного рассеяния ослабевает в е рвз в слое совершенно чистой воды толщиной около 1 км, тогда как рентгеновский луч испытывает такое же относительное ослабление всего на расстоянии порядка 5 см. Во-вторых, ослабление пучка рентгеновских лучей происходит изза истпинного поглощснил или абсорбции, когда часть энергии пучка в конце концов переходит в тепло. Если параллельный пучок рентгеновских лучей монохроматичен (Л = сопвФ), то ослабление его интенсивности 1 на отрезке с[х однородного вещества определяется соотношением Н1 = — р1 с[х, где постоянная д называется коэЯилциентом ослаблени рентгеновских лучей. Отсюда следует (48.7) 1(х) = 1ае Рентгеновские лучи 295 т.е.
при прохождении расстояния х = 1/р интенсивность убывает в е раз. Ослабление интенсивности пучка происходит как за счет истинного поглощения, так и за счет рассеяния рентгеновских лучей, так что можно написать (48.8) где т называется коэффициентом истинного поглощения, а о — коэффициентом рассеяния рентгеновских лучей.
Все коэффициенты р, а, т пропорциональны плотности вещества р, а потому удобнее пользоваться так называемыми массовыми коэффициентами, т. е. величинами (48.9) Введя р в формулу (48.7), запишем ее в виде 1(х) = 1ес ю "г~ (48.10) Если  — площадь поперечного сечения пучка, то величина Ярх означает массу вещесгва, проходимого рентгеновским пучком на расстоянии х. Следовательно, рх есть масса вещества, проходимого пучком на расстоянии х, если площадь поперечного сечения пучка равна единице.
В теоретических расчетах еще удобнее пользоваться так называемыми атомны и коэффициентами: р р А дав а— т А т= — —, Р 1ул т гав (48А 1) а и А сго= — т=— р равд где т — масса а~ома, равная т = А/Хя, А — масса моля, Мл— постоянная Авогадро. Эти коэффициенты имеют размерносгь площади, а потому могут быть истолкованы как поперечные сечения атома по отношению к ослаблению, поглощению и рассеянию рентгеновских лучей. Например, р„ характеризует ослабление интенсивности рентгеновского пучка в слое, содержащем один атом на единице площади поперечного сечения пучка. Если в формулах (48.11) т означает массу не атома, а молекулы, то величины, определяемые этими формулами, следует назвать молекулярными коэффициентами.
9. Коэффициент поглощения рентгеновских лучей вообще возрастаег с увеличением длины волны. Однако прн некоторых значениях длины волны он резко падает, а затем начинает снова плавно возрастать. Такая особенность поглощения рентгеновских лучей имеет простое физическое объяснение. Пусть длина волны рентгеновских лучей настолько мала, что возбуждаются все рентгеновские уровни, включая К-уровень.
На это возбуждение затрачивается энергия рентгеновских лучей. При увеличении длины волны, начиная с некоторого значения Л, энергии рентгеновского кванта становится недостаточно, [Гл. ЪЧ Атомные системы со мног ми электронами 296 чтобы возбудить К-уровень. Это и сказывается на резком уменьшении поглощения, — появляется тнк называемый край поглощения. При дальнейшем увеличении длины волны перестают последовательно возбуждаться ВР, ! ц-., 7ац-уровни (см. схему уравнен на рис. 88), что ведет к появлению новых краев поглощения и т. д. Довольно точно соблюдается эмпирически установленное соотношение (48. 12) ,=Сг Л, где постоянная С испыгывает всякий рвз скачкообразное уменьшение при переходе через край поглощения.
Из формулы (48.12), конечно, следует о4ЛЗ Ш (48.13) где С' = С%А — новая скачкообразно меняющаяся постоянная. На схематическом рис, 90 изображен (в произвольных единицах) ход массового коэффициента поглощения для серебра и меди в зависимости ог длины волны Л. На вертикальной 1!г 1/г оси отложена величина т ~ .
Зависимость всюду линейная, но при длинах волн Л = Снк = 0,0485 нм для серебра н Л = 0,13785 нм Анк для меди наблюдается край поглощения, связанный с прекращением возбуждения К-уровня. Если бы кривую поглощения для серебра продолжить в сторону более длинных волн, то на ней появились бы 0 0,0488 ОА8788 Л, нм три зубца при длинах волн 0,3245, 0,3506, 0,3993 нм, соответствующие новым краям Рнс.
90 поглощения (уровень 5 тройной, как вид- но из рис. 88). Особенность поглощения рентгеновских лучей состоит в том, что оно является чисто атомньсм свойством. Молекулярный коэффициент поглощения аддитивно с ладываетсл из атомных коэффициентов элементов, входящих в состав молекулы. Пользуясь этим, молекулярные коэффициенты поглощения бесчисленного множества химических соединений можно вычислить, зная атомные коэффициенты поглощения элементов.
Далее, как видно из формулы (48.12), атомные коэффициенты поглощения быстро возрастают с увеличением порядкового номера элемента — пропорционально гб . На этих особенностях поглощения 4 рентгеновских лучей основано их применение для целей просвечивания (см. задачу 1 к этому параграфу). 10. В заключение этого параграфа рассмотрим еще одно явление, происходящее в электронной оболочке атома и вызывающее также поглощение рентгеновских лучей.
Оно называется эс)г)гонтом Оэюе (р. 1899) или автоионизацией возбуэюденного атома. Это явление связано с перераспределением энергии внутри возбужденного атома. В отличие от обычной фотоионизации, когда поглощенный рентгеновский Рентгеновские лучи 297 квант приводит непосредственно к вылету электрона за пределы атома, эффект Оже происходит в две стадии. На первой стадии происходит поглощение рентгеновского кванта, сопровождающееся возбуждением атома, а именно освобождением электрона из К-слоя, т.е. образованием дырки в этом слое. На второй стадии происходит заполнение этой дырки электроном, перескакивающим из 1-слоя.
Избыток энергии й - — бь либо выделяется в виде кванта характеристического излучения, что было рассмотрено выше, либо приводит к выбрасыванию одного электрона из вышележащих оболочек атома. Этот процесс и называется эффектом Оже, а выброшенный электрон — электронолг Олсе. Таким образом, дырка в Ь-слое сохраняется, но возникает вторая дырка в одном из вышележащих слоев. Иными словами, атом становится дважды ионизованным.
Фотографируя в камере Вильсона фотоэлектроны, освобождаемые рентгеновскими лучами из атомов тяжелых инертных газов (например, криптона), Оже обнаружил, что в некоторых случаях в одной и той же точке берут начало два электронных следа. Один электрон образуется в резульгате обычной фотоионизации на К-слое, другой -- вследствие внутреннего перераспределения энергии возбужденного атома, т.с. вследс гвие эффекта Оже. Электроны Оже всегда уносят значительную долю энергии возбужденного атома.
Особенно сильно эффект Оже проявляется в тех случаях, когда переходы с излучением фотонов запрещены (например, в 0 — О-переходах). ЗАДАЧИ 1. Сравнить коэффициенты поглощения рентгеновских лучей для костей и тканей человеческого тела. Вещество кости в основном составляет фосфорнокислый кальций Саг (РО4) г. Поглощение ткани обусловлено главным образом входящей в нее водой НгО. Решение. На основании формулы (48.12) с учетом значений порядковых номеров элементов получим (г,)„„, 3.20 4-2 15 -1-8 8 — 150. (т ) 2 1 4-8 Для определения отношения массовых коэффициентов поглощения, согласно (48Л 3), надо учесть отношение молекулярных масс рассматриваемых химических соединений. Для Саг(РО4)г А = 3 40 4- 2 30 4- 8 16 .= 308; для НгО А = 2 1+16 =- 18.
Поэтому 150 9, (т ), „„308 т. е. массовый коэффициент поглощения кости примерно в 10 раз превосходит такой же коэффициент ткани. Из-за различия плотностей отношение коэффициентов поглощения (т),,„, и (т),„еще примерно в 2 — 3 раза бслыпе. Этого достаточно, чтобы понять, почему иа рентгеновских снимках тень от костей выделяется так резко. 2. Как известно, у редких земель внутренняя оболочка 1 заполняется после заполнения наружных оболочек. Таким образом, внутри электронной [Гл. ЪЧ Атомные системы со мног ми электронами 298 атмосферы атома имеются незаполненные места — дырки. Может ли происходить спонтанное рентгеновское излучение, возникающее при заполнении таких дырок? О т в е т.
Не может, так как при переходе электрона из наружных оболочек в рассматриваемую дырку энергия атома не уменыпается, а увеличивается. 8 49. Атом гелиЯ 1. Простейшими после атома водорода являются атом гелия (Х = 2) и аналогичные ему ионы 13е (У = 3), Ве ет (У = 4), Ве~т (г2 = 5), ..., электронные оболочки которых содержат по два электрона. В спектрах этих двухэлсктронных атомов и ионов встречаются те же спектральные серии, что и у атомов щелочных металлов, но каждая из серий представлена в двух экземплярах; есть две гланные серии, две резкие, две диффузные и т.д. В одном экземпляре серий все линии простые (синглеты), тогда как в другом — триплеты, т.е. каждая из линий состоит из трех близко расположенных линий.
Наиболее известной в спектре гелия является желтая линия Рг, благодаря ко горой гелий впервые был обнаружен иа Солнце в 1867 г. Это— триплет с длинами волн 587,5963; 587,5643 и 587,5601 нм и отношениями интенсивностей 1: 3: 5. Расстояние между двумя последними линиями составляет всего 0,0042 нм. Поэтому долгое время эти две линии принимали за одну, а триплет Рз — за дублет. Триплет Ре является первым членом первой побочной серии триплетов. Главная серия триплетов гелия лежит в инфракрасной части спектра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
