Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 5. Атомная и ядерная физика (1121281), страница 72

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 72)

В этом случае его энергия в конечном состоянии не квантуется. При переходе из этого неквантованного состояния на одно из свободных мест в оболочках атома возникает сплошное рентгеновское иэлйчепие. 5. В отличие от оптических линейчатых спектров с их сложностью и разнообразием, рентгеновские характеристическиеспектры различных элементов характеризуются простотой и однообразием.

Это связано с тем, что при переходе от одного элемента к следующему структура внутренних электронных оболочек атома изменяется очень Рентагеноеение лучи 291 мало. При возрастании зарядового числа Л на единицу рентгеновский характеристический спектр элемента сохраняет свой вид; происходит лишь незначительное смещение всех рентгеновских линий в сторону более коротких волн. Эта особенность рентгеновских спектров впервые была обнаружена экспериментвлыю Мозли в 1913 г, и истолкована им на основе теории Бора. Мозли систематически исследовал К- и Л-серии рентгеновского излучения 38 различных элементов.

Он пользовался кристаллическим спектрографом, работавшим по принципу брэгговских отражений (см. т. %, з 61), в котором вместо ионизационной камеры была использована фотопластинка. На рис. 89 воспроизведена фотография К-серии различных элементов, полученная Мозли. Спектры различных элементов расположены относительно друг друга так, что расстояние каждой линии от левого края рисунка приблизительно пропорционально длине волны этой линии. Сами элементы расположены в порядке возрастания атомных номеров от кальция (Л = 20) до цинка (г = 30), входящего в состав латуни. Замечательнарегулярность,скоторой возрастает частотахарактеристического К-излучения с нозрастанием атомного номера элемента. Такой же регулярностью отличаются и изменения частот 1-, М- и %-линий характеристического излучения при переходе от одного элемента к следующему.

Например, из рис.89 сразу видно, что между кальцием и титаном про- Рис. 89 пущен элемент с атомным номером г = 21. Это скандий, предсказанный Менделеевым и открытый в 1879 г. Нильсоном и Клеве. Исследования Мозли впервые экспериментально показали, что основной величиной, определяющей место элемента в периодической таблице, является не атомная масса, а атомный номер элемента. Вместе с тем характеристические рентгеновские спектры позволяют однозначно определять атомные номера элементов и таким образом судить, заполнены ли в периодической таблице все места или должны существовать еще не открытые элементы. Уже сам Мозли оставил место под номером 43 для неизвестного в то время элемента, полученного позднее искусственно и названного технецием.

До исгледований Мозли не было выяснено, какой из элементов — кобальт с атомной массой 58,933 или никель с атомной массой 58,71 надо поставить раньше в периодической таблице. Из рис. 89 ясно видно, что кобальт надо поставить между железом и никелем, хотя его атомная 1О* [Гл. ЪЧ Атомные системы со мног ми электронами 292 масса и больше, чем у никеля. Участок периодической системы от гб = 58 до гб = 71 включительно занят элементами редких земель. Их химические свойства настолько близки, а атомные массы были известны настолько недостоверно, что правильность расположения этих элементов в периодической системе вызывала большие сомнения.

Изучение рентгеновских спектров с использованием закона Мозли (см. ниже) устранило всякие сомнения. Оно показало, что от водорода до урана включительно должно существовать ровно 92 химических элемента. Из изложенного выше о происхождении характеристических рентгеновских лучей следует, что длины волн таких лучей зависят исключительно от внутренней структуры электронных оболочек атома.

Это есть атомное свойство элемента. Поэтому в сплавах и химических соединениях каждый элемент дает такой же характеристический спектр, какой получился бы в отсутствие других элементов. Это ясно проявляется на рис. 89. Спектр латуни получается простым наложением спектров меди и цинка, а в спектре кобальта отчетливо проявилось его загрязнение железом и никелем. 6. Мозли экспериментально установил, что квадратный корень из частоты колебаний тсср данной линии К-серии в зависимости от атомного номера элемента л выражается плавной кривой, очень близкой к прямой линии: (48.3) тгси = М(о — а), где М и а постоянные.

Та же формула, но с другими числовыми значениями М и а, справедлива и для Л-серии, а также для последующих серий М, %, О. Эта эмпирическая формула называется законом Моэли. Она и определяет смещение характеристических рентгеновских спектров при переходе от одного элемента к следующему. Последующие более точные измерения обнаружили некоторые отступления от простой линейной зависимости (48.3). Впрочем, эти отступления для К- и Л-серий не являются сколько-нибудь значительными, а становятся заметными лишь для М-, гУ- и О-серий.

Строгое доказательство и установление точности закона Мозли дать невозможно, так как этот вопрос сводится к проблеме многих тел. Можно дать лишь грубую интерпретацию закона Мозли, сведя проблему многих тел к одноэлектронной задаче. Это приводит к вполне удовлетворительным результатам, в особенности для К- и Л-серий, а главное устанавливает физический смысл постоянных, входящих в формулу (48.3).

Пусть в слое К, состоящем из двух электронов, образовалась дырка, т. е. один электрон из этого слоя был удален за пределы атома. Пусть эта дырка заполняется электроном из слоя Ь, в результате чего произойдет излучение К„-линии. Поведение этого электрона и будет интересовать нас в дальнейшем, пока не произойдет заполнение дырки в слое К.

Можно считать, что на этот электрон все внешние электроны не действуют, так как они как бы образуют внешнюю оболочку со сферически распределенным зарядом в ней. Электрическое поле, действующее на Рентгеновские лучи 293 рассматриваемый электрон, создается зарядом ядра и другим электроном, оставшимся в К-слое. Обе эти частицы можно заменить одной ядром с лэффективным» зарядом (Я вЂ” 1)е: другой электрон К-ююя как бы экранирует поле ядра атома. Такое же рассуждение, хотя и менее четкое, применимо и в том случае, когда образовалась дырка в слое 1, заполняемая в дальнейшем одним из электронов слоя М с излучением Л„-линии.

В этом случае по-прежнему надо интересоваться поведением такого электрона, пока он не заполнит дырку в слое 1. Теперь экранирование производится сначала двумя электронами слоя К и семью электронами слоя Ь. Однако в дальнейшем, пока рассматриваемый электрон нс заполнил дырку в слое!., экранирующее действие некоторых электронов слоя Л постепенно выпадает. Можно приближенно принять, что в экранирующем действии принимает участие как бы половина из оставшихся семи электронов из слоя Г . Это значит, что эффективный заряд ядра можно считать равным (У вЂ” а)е, где постоянная а называется постоянной экрапировапил. Можно ожидать, что для 1„-линии а 5,5, что не так плохо согласуется с тем., что дает опыт.

Впрочем, на приведенное обоснование значения а = 5,5 следует смотреть как на грубую оценку. В частности, и наших рассуждениях не учтено, что уровень! состоит из трех подуровней. Точные значения постоянных экранирования следует определять экспериментально. В обоих случаях задача свелась к одноэлектронной., подобно тому, как это имело место при объяснении спектральных серий щелочных металлов. Частоты излучаемых линий будут определяться формулой 2 и = с1ь(3 — а) г г ) ( и, пег) (48.4) где Я вЂ” постоянная Ридбергп (см. 3 13). Отсюда и получается форму- ла (48.3), так как для рассматриваемой линии квантовые числа пг и пг фиксированы.

Для К„-линии п = 1, пз = 2, а а = 1, как это было обосновано выше. Поэтому нк — — — сЛ(Л вЂ” 1) =3 2 4 ' (48.5) Для Ь„-линии п1 — — 2, ггг = 3, так что нг — — сй(У вЂ” аь ), где аг = 5,5. 5 (48.6) 7. Рентгеновские спектры поглощения отличаются той характерной особенностью, что в них пет обращения линий. Если через слой какого- либо элемента пропустить пучок тормозного рентгеновского излучения (т. е, излучения, разлагающегося в сплошной спектр), то на месте характеристических линий не появятся темные линии, как это было бы в случае оптических спектров. Это объясняется тем, что в веществе, через которое проходит рентгеновский пучок, пет атомов в возбужденных соспюлнпят.

Все внутренние электронные оболочки заполнены, в них [Гл. ЪЧ Атомные системы со мног ми электронами 294 нет дырок, в которые при облучении рентгеновскими лучами могли бы перейти электроны из более глубоких энергетических уровней. Поглощение рентгеновских лучей веществом совершенно не зависит от его оптических свойств. Например, белое прозрачное свинцовое стекло толщиной в несколько миллиметров практически полностью поглощает рентгеновские лучи, а потому и применяется для защиты персонала, обслуживающего рентгеновские установки.

Тонкий же лист алюминия, абсолютно непрозрачный для видимого свеча, хорошо пропускает рентгеновские лучи; для рентгеновских лучей, получаемых в технических рентгеновских трубках (при напряжениях 100 кВ), он почти совершенно прозрачен. 8. Параллельный пучок рентгеновских лучей при прохождении через вещество испытывает ослабление. Оно вызывается двумя причинами. Во-первых, рассеянием, когда часть лучей отклоняется в сторону и поэтому выходит из первоначального пучка.

Характеристики

Список файлов книги