А.Н. Матвеев - Атомная физика (1121290), страница 78
Текст из файла (страница 78)
Все ониимею т очень короткие времена жизнии получены в чрезвычайно малых количествах. К настоящему времениимеются трансурановые элементы доZ = 109 включительно. Их общепринятого наименования пока нет.57. Рентгеновские спектрыОписываются основные экспериментальные закономерности рентгеновских спектров и даетсяих теоретическое истолкованиеРентгеновское излучение. Физическиесвойства рентгеновского излучениярассмотрены в § 6. В частности, по§ 57результатам дифракции рентгеновского излучения на кристаллах можноизмерить длину волны, если известнаструктура кристалла, а если известнадлина волны, то можно определитьструктуру.
Длина волны рентгеновского излучения заключена примернов пределах от 10 ~3 до 10 нм, а энергияквантов и зл у ч ен и я-о т 100 эВ до1 МэВ.Рентгеновские спектры бываю тдвух видов: сплошные и линейчатые.Сплошные спектры возникаю т приторможении быстрых электронов ввеществе антикатода и являютсяобычным тормозным излучением электронов. Строение сплошного спектране зависит от материала антикатода.Линейчатый спектр состоит из отдельных линий излучения. Он зависитот материала антикатода и полностьюхарактеризуется им. Каждый элементобладает своим, характерным длянего линейчатым спектром.
Поэтомулинейчатые рентгеновские спектрыназываю тся также характеристическими.Особенности рентгеновских спектров. Между рентгеновскими линейными спектрами и оптическими линейчатыми спектрами существует три коренных различия. Во-первых, частотарентгеновского излучения в тысячираз больше, чем частота оптическогоизлучения. Это означает, что энергиярентгеновского кванта в тысячи разбольше энергии оптического кванта.Во-вторых, рентгеновские спектрыразличных элементов имею т одинаковую структуру, в то время какструктура оптических спектров различных элементов существенно различается. В-третьих, оптические спектры поглощения состоят из отдельныхлиний, совпадающих с линиями излучения главной серии соответствую щего элемента. Рентгеновские спектрыРентгеновские спектры 29389Рентгеновские спектры поглощенияпоглощения не похожи на рентгеновские спектры испускания: они состоятиз нескольких полос с резким длинноволновым краем (рис.
89).Объяснение особенностей рентгеновских спектров. Все эти особенности рентгеновских спектров объясняются механизмом их испускания,который находится в полном согласии со строением электронных оболочек, изложенным в предыдущих параграфах. Электрон, падаю щ ий наматериал антикатода, сталкиваясь сатом ам и антикатода, может выбитьэлектрон с одной из внутреннихоболочек атома. В результате этогополучается атом , у которого отсутствует электрон на одной из внутренних оболочек. Следовательно, электроны более внешних оболочек могутпереходить на освободившееся место.В результате этого испускается квант,который и является квантом рентгеновского излучения.Энергия электрона в кулоновскомполе ядра с зарядом Z eЕп —Rh2nl,Z .(57.1)Энергию электрона на одной из внутренних оболочек атом а можно представить в видеЕ„—Rhпj ( Z —ап) ,(57.2)2 9 4 11.
М ногоэлектронные атомыгде ап учитывает экранировку {а„ « Z)поля ядра внутренними электронамии возмущения со стороны другихэлектронов. При переходе электронана освободившееся место на внутренней оболочке с внешней оболочки излучается квант, частота которого®Е' 2 ~ ЕЧ Rх2 R\2\= -j(z - % ) - —2(z - aJНП\«2(57.3)Поскольку Z для тяжелых атомоввелико, энергия термов (57.2) такжевелика по сравнению с энергией оптических термов. Следовательно, и частоты излучения в соответствии сформулой (57.3) велики по сравнениюс оптическими частотами.
Этим объясняется больш ая энергия рентгеновских квантов.Закон Мозли. Поскольку внутренние оболочки атом ов имею т одинаковое строение, поправки ап в формуле(57.2) для данной оболочки (для данного п) должны быть одинаковыми.О тсю да следует, чтовсе тяжелые агом ы должны иметьодинаково построенные рентгеновские спектры, лишь у более тяжелыхатом ов спектр смещается в сторонубольших частот.Это полностью подтверждаетсяэкспериментом и доказывает, чтовнутренние оболочки атом ов имеют**Рентгеновские спектры различных эл ементов имеют одинаковую структуру, в товремя как структура оптических спектровразлична.Оптические спектры поглощения состоятиз отдельных линий, совпадаю щ их с л и ниями излучения главной серии соответствующ его элем ен та, а рентгеновскиеспектры поглощ ения не похож и на рентгеновские спектры испускания и состоятиз нескольких п ол ос с резким д л и н н оволновым краем.Законом ерности рентгеновских спектровсвидетельствуют о б одинаковости стр о ения внутренних оболоч ек атома и отсутствии какой-либо периодичности в ихстроении.одинаковое строение, как это и предполагалось при объяснении периодической системы элементов.
Общийвид рентгеновского терма может бытьпредставлен следующим образом:R ( Z - а)2Щ) = " - г•(57.4)ТогдаIT1(57.5)Это равенство выражает закон Мозли,открытый экспериментально. ЗаконМ озли показывает, чтокорни квадратные из рентгеновскихтермов зависят линейно от зарядового числа Z элементов.Если электрон выбит из К-оболочки (и = 1), то при переходе на освободившееся место электронов с другихоболочек излучается рентгеновскаяК-серия.
При переходе электронов наосвободившееся место в L -оболочке(п = 2) излучается L -серия и т.д. Т аким образом, экспериментально наблю даемая одинаковость структурырентгеновских спектров и закон М озлиподтверж даю тпредставления,употребляемые при интерпретациипериодической системы элементов.Особенность рентгеновских спектров поглощения также объясняетсяфактом связи испускания рентгеновского излучения с внутренними оболочками атом а. В результате поглощения рентгеновского кванта атом омможет произойти вырывание электрона с одной из внутренних оболочекатом а, т.е.
процесс фотоионизации.Каж дая из полос поглощения соответствует вырыванию электрона изсоответствующей оболочки атома.Полоса К (рис. 89) образуется в результате выбивания электрона из самойвнутренней оболочки атом а - К - о б о -§ 57. Рентгеновские спектры 2 9 5лочки, полоса L - из второй оболочки>Ъг0<и т.д . Резкий длинноволновой крайкаждой полосы соответствует началу%процесса фотоионизации, т.е.
выры%ванию электрона из соответствующейМт■3\оболочки без сообщения ему дополнительнойкинетическойэнергии.Длинноволновая часть полосы поглощения соответствует актам фотоио' г\ Чнизации с сообщением электрону из■гЧ'быточной кинетической энергии. Струк■22Sтуры рентгеновских спектров поглощения тяжелых элементов аналогичны друг другу и подтверждаю т одиК..К,. К*наковость строения внутренних оболочек атом ов тяжелых элементов.90На рис. 89 видно, что каждая изполос поглощения имеет тонкую струк Схема рентгеновских уровней и квантовых петуру: в К-полосе есть один максимум, реходовв L -п о л о се- три максимума, в М -пол о с е -п я т ь максимумов. Это объяс энергетические состояния одного электняется тонкой структурой рентгенов рона.
Но термы одного электронадублетны. Следовательно, и рентгеских термов.Дублетный характер рентгеновских новские термы должны быть дублетспектров. Каждый рентгеновский терм ными.В К-оболочке имеется п = 1, / = О,соответствует состоянию оболочки,s=l/ 2, j = V2 Для каждого из электиз которой удален один из электроронов.Если один из электронов вырнов. Число энергетических состояний,соответствующиходномууда ван, то у оставшейся оболочки (одноленному электрону, можно найти с го электрона) L = О, S — l/ 2, J = V2,помощ ью следующего рассуждения. т.е.
состояние 25 1/2, которое принадУ замкнутой оболочки полный ор лежит дублетному семейству состоябитальный момент L l , полный спино ний, хотя, будучи S-состоянием, невый момент L s и полный механиче приводит к энергетическому расщепский момент L j равны нулю. Если из лению уровней (рис. 90). П оэтому вэтой оболочки удален электрон с не К-полосе поглощения есть лиш ь одинкоторым орбитальным м оментом L„ максимум.Электронная конфигурация L-обоспиновым моментом L s и полнымлочкиимеет вид 2s22p6.
В этой обом оментом Lj, то оставшаяся конфигулочкев /7-состоянии находятся дварация будет обладать полным орбитальны м, спиновым и механическим электрона с j = 1/ 2 и четыре электронамоментами, численно равными соот с j — 3/ 2. Если вырывается один изветствующим моментам удаленного электронов в 2,?1/2-состоянии, то возникает состояние 2S 1/2.
Если вырыэлектрона. П оэтомуэнергетические состояния замкнутой вается один из электронов в 2/?1/2-сооболочки без одного электрона имеют стоянии, то возникает состояние 2Р 1/2,такую же мультиплетность, как и а при выбивании одного из электро-296 11. М ногоэлектронные атомынов в 2/>3 ,2- с о с т о я н и и возникает состояниеР 3/2. Таким образом, сL-оболочкой связано три энергетических состояния (рис. 90). Обычно этиуровни обозначаю т L„ L n, L m. Онидаю т три максимума поглощения вL -полосе.Аналогично, М -состояния распадаю тся на пять рентгеновских подуровней: М „ М н, М ш, M IV, M v. Онидаю т пять максимумов поглощения вМ-полосе.Линии испускания в рентгеновскихспектрах получаются в результате переходов между рентгеновскими уровнями с учетом обычных правил отбора:AL = +1, AJ = 0, ± 1.(57.6)Линии дублета /С-серии, образующиеся в результате переходов с уровнейL-оболочки на уровень К-оболочки,обозначаю т K Xi и К ^г. Линии дублетаК-сери и, получающиеся при переходес уровней М -оболочки на уровеньК-оболочки, обозначаю т К„ и К„ .Р102Аналогично возникаю т и остальныелинии излучения в рентгеновскомспектре (рис.
90).Следовательно,закономерностирентгеновских спектров находятся вхорошем согласии с представлениямиоб одинаковости строения внутренних оболочек атом а и отсутствии какой-либо периодичности в их строении. Лиш ь внешние оболочки атомовпериодически повторяю тся, что иобусловливает периодическое повторение химических свойств элементов.ЗадачиЛ -211 -3-Волновая функция атом а гелия с достаточной степенью точности мож ет быть представленав видеЧ» = [а3/(7ш?,)] ехр [ - а(г, + г2)/«п](а = 27/16),где г, и г2-рассто ян и я электронов от ядра. Н айти электрический потенциал атома.Какое напряжение надо приложить к рентгеновской трубке, чтобы получить рентгеновскоеизлучение с длиной волны 0,5 нм?Н айти длины волн первых двух линий в спектре однократно ионизованного атом а гелия,соответствующих первым двум линиям серии Бальм ера в спектре атом а водорода.Энергия полной (двукратной) ионизации атом а гелия равна 78,98 эВ. Н айти энергиюоднократной ионизации атом а гелия и энергию ионизации иона гелия Н е+.Ответы11.1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
