Задача 12. Рентгеновская люминесценция. Закон Мозли. (Задачи атомного практикума)

М М. В. ЛН- Д. В. СН. В. Коропченко, С. С. Красильников ,Е. Ю. Мелкумова, В. В. ТарасоваАТОМНЫЙ ПРАКТИКУМЗ МЛабораторная работа№ 12И М 2016УДК 539.18ББК 22.28К68К68Коропченко Н. В., Красильников С. С. , Мелкумова Е. Ю.,Тарасова В. В.Атомный практикум.

Закон Мозли: Лабораторная работа № 12.Учебное пособие / Под редакцией С. С. Красильникова – М.: Издательство Московского университета, 2016. – 24 с., илл.ISBN 978-5-19-011146-0Лабораторная работа из цикла «Атомный практикум» физического факультета МГУ по общему курсу «Атомная физика».Для студентов физического факультета МГУ.УДК 539.18ББК 22.28Учебное изданиеКоропченко Наталия Васильевна, Красильников Сергей Сергеевич,Мелкумова Елена Юрьевна, Тарасова Валентина ВасильевнаАтомный практикум. Закон Мозли.

Лабораторная работа №12Печатается в авторской редакции с оригинал-макета заказчикаПодписано в печать 05.07.2016 г. Формат 60х90/16. Усл. печ. л. 0,9.Уч.-изд. л.1,5. Тираж 30 экз. Заказ №Издательство Московского университета.119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, д. 1, стр. 15(ул. Академика Хохлова, 11).Тел.: (495) 939-32-91;e-mail: secretary@msupublishing.ruISBN 978-5-19-011146-0© Московский государственный университетимени М.В.

Ломоносова, 2016.ВведениеВ 1895 г. немецкий физик Рентген, работая с катодной трубкой,обнаружил появление проникающих лучей от участков трубки, гдекатодные лучи встречаются с ее стеклянной стенкой. Так были открытырентгеновские лучи, которые Рентген назвал Х-лучами. Обычноисточником рентгеновских лучей являются рентгеновские трубки. Длягенерации рентгеновских лучей в ядерной физике используетсябетатрон (или другой тип ускорителя электронов). Источникамирентгеновского излучения являются также многие естественные иискусственные радиоактивные элементы. Многие небесные тела(например, Солнце), плазма (высоко- и низкотемпературная) такжеявляются источниками рентгеновских лучей.Рентгеновскиелучиобладаютбольшойпроникающейспособностью – они проникают сквозь непрозрачные для видимогосвета тела.

Причем поглощаются они тем меньше, чем меньшеатомные номера элементов, входящих в состав тела, чем меньшетолщина тел. Рентгеновские лучи невидимы глазом, но они действуютнафотопластинку,ионизируютгазы,вызываютсвечение(флуоресценцию) ряда веществ. Эти свойства рентгеновских лучейиспользуютсяприсозданииразличногородаприборов,регистрирующих рентгеновское излучение. По своей природерентгеновские лучи тождественны свету – это электромагнитные волныoмалой длины λ ≤ 10 A . О волновой природе рентгеновских лучейсвидетельствует явление их дифракции. Рентгеновские лучи возникаютпри взаимодействии заряженных частиц или γ -квантов с атомамикакого-либо элемента. Спектры рентгеновских лучей имеютнепрерывный или линейчатый характер.Непрерывный (сплошной) спектр имеет рентгеновское излучение,возникающее при торможении заряженных частиц в результате ихвзаимодействия с электростатическим полем атомного ядра и атомныхэлектронов (атомов мишени).

Такое рентгеновское излучение3называется тормозным излучением. Экспериментально былоустановлено, что интегральная интенсивность тормозного спектрарастет с увеличением заряда ядер атомов мишени. Кроме того, былообнаружено, что тяжелые частицы (например, протоны) при прочихравных условиях генерируют менее интенсивное тормозное излучение,чем легкие электроны. Причину указанных закономерностейтормозного излучения легко понять на основе сделанных далее,замечаний о его природе [1–6].

Согласно электродинамике энергияизлучаемая движущейся с ускорением заряженной частицей завремя, равна2 q23 c3, где– ускорение частицы, q – заряд, c– скорость света.При прохождении заряженной частицы через кулоновское полеядра атома с зарядом Ze, она отклоняется под действием силыгде m - масса частицы, E - напряженность электростатического поляядра, равнаяZe.r3Здесь e - заряд электрона.

Тогда ускорение, приобретаемое заряженнойчастицей в поле ядра, равно.Таким образом, заряженная частица, двигаясь в поле, за времяизлучает энергию.Δt(1)Из (1) следует, что тормозные потери в мишени из тяжелых элементовбольше, чем в легких (). Кроме того, эти потери сильно зависят от4массызаряженнойчастицы,генерирующейтормозноеизлучение.

Поэтому тормозные потери для легких частиц (электронов)будут много больше, чем для тяжелых (протонов).Одной из характерных особенностей тормозного излучения являетсято, что оно обладает сплошным спектром и имеет коротковолновуюграницу λгр, которая сдвигается в сторону коротких волн при увеличенииэнергии частиц, генерирующих излучение. Эти особенности тормозногоизлучения являются следствием его природы и закона сохраненияν при актеэнергии.Энергияизлучаемогоквантаторможения заряженной частицы на атоме определяется соотношениемν,где– энергия заряженной частицы до взаимодействия сатомом вещества, U – разность потенциалов, ускорившая частицу доэнергииW0, W – энергия частицы после взаимодействиявещества.с атомомОтсюда получимhc.qU − W(2)Из (2) следует, что длина волныизлучаемая при торможениирентгеновского кванта в зависимости от условий торможения можетменяться от, когда при взаимодействии с веществом энергия, до некоторого минимальногочастицы не меняетсязначениягрhc.qU(3)В последнем случае заряженная частица полностью теряет энергию.

Изформулы (3) видно, что длина волны коротковолновой границы грспектра не зависит от природы частиц мишени, определяется тольковеличиной ускоряющего потенциала, что полностью согласуется сэкспериментом.5Если энергиябомбардирующих частиц не превосходитопределенного значения, характерного для данного вещества, накоторое частицы падают, то будет возникать только тормозноеизлучение, обладающее сплошным спектром. Если же энергиябомбардирующих частиц будет больше определенного критическогозначения, то наряду с тормозным излучением появится излучение ввиде отдельных линий. Это излучение называется характеристическим,так как оно характеризует вещество (точнее строение внутреннихоболочек атомов вещества), на которое падают бомбардирующиечастицы, и не зависит от величины ускоряющего потенциала (если онбольше некоторого критического, необходимого для появления этихлиний).

Таким образом, спектр характеристического излучениялинейчатый. Каждый элемент дает определенный, присущий толькоему характеристический спектр, независимо от того, находится ли он всвободном состоянии или входит в состав химического соединения.Спектральные линии характеристического излучения элементарасположены в спектре не хаотично, а вполне закономерно, образуяпоследовательности или серии, расположенные в различных участкахспектра. Самую коротковолновую серию характеристического спектрапринято обозначать буквой K , а затем по мере увеличения длин волнобласти буквами L, M , N и т.

д.Число серий в спектре элемента растет с увеличением атомногономера элемента в таблице Менделеева. Рентгеновские спектрыэлементов просты и однообразны. Они состоят из сравнительно малогочисла линий, в то время как оптические – сложны и состоят измножества линий. Кроме того, характеристические рентгеновскиеспектры элементов построены однотипно, никакой периодичности вспектрах элементов нет. Единственное изменение, которое наблюдаетсяв характеристических рентгеновских спектрах при переходах от легкихк тяжелым элементам, заключается в монотонном смещении линий всторону коротких волн.Известно, что внутренние электронные оболочки обладают уразличных элементов одинаковой структурой. Так, например, начиная с– главное квантовоегелия, у всех элементов K -оболочка6число) построена одинаково и состоит из двух электронов.

Лишь зарядядра, в поле которого движутся эти два электрона, монотонно растет сувеличением порядкового номера элемента. Поэтому естественнопредположить, что характеристическое рентгеновское излучение,монотонно изменяющееся с изменением порядкового номера элемента,возникает во внутренних оболочках атома. Положив эту гипотезу воснову своей теории, Коссель в 1916 г. дал следующее объяснениерентгеновским спектрам.

Электрон (заряженная частица), падающий навещество, если его энергия достаточно велика, может передать своюэнергию одному из электронов внутренних оболочек атомов вещества ивыбить его из атома. В результате атом окажется в “ионизированном”(возбужденном) состоянии. Допустим, что возникает вакансия (дырка)в K -оболочке, т.е. окажется вакантным низкое энергетическоесостояние.