Atomnaya_fizika_Lektsii_Milantyev_chast2 (846373), страница 6

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

Текст из файла (страница 6)

чембольше энергия рентгеновского кванта по сравнению с энергией связиэлектрона в атоме, тем более справедливо приближение свободногоэлектрона, и тем меньше роль когерентного рассеяния рентгеновскогоизлучения данным веществом. Комптон–эффект играет преобладающую роль приэнергии фотонов до 1 МэВ. При большихэнергиях более существенным становитсяпроцессрожденияпарпроцесспревращения фотона в пару электрон–позитрон.Спектр поглощения рентгеновскогоизлучения составляют полосы.

Поглощениерентгеновского излучения не зависит от оптическихсвойств вещества. Например, свинцовое стеклотолщиной в несколько миллиметров прозрачно длясвета, но практически полностью поглощает рентгеновское излучение; алюминиевыйлисток совершенно не прозрачен для света, но не поглощает рентгеновские лучи. Впределах полосы поглощения коэффициент поглощения рентгеновских фотонов сэнергией h от 10 3 до 10 5 эВ монотонно убывает по приближенной формуле: ( ) = Z4,(3.53)3 – эмпирическая постоянная. Резкие скачки - края полос поглощения. Соответствуютэнергии, достаточной для выбивания электронов с М–, L–, K–слоев (критическиепотенциалы возбуждения М–, L–, K– серий).

«Зазубренность» краев полосы: каждаясерия, кроме К–серии, имеет несколько критических потенциалов. По значениям этихкраев находят энергию связи электронов в слоях и оболочках атомов.Поглощение рентгеновского излучения может сопровождаться ионизацией атомов(и появлением фотоэлектронов), и испусканием излучения более низкой частоты(флуоресценцией).

Согласно (3.53) с увеличением энергии фотонов (уменьшением длиныволны) поглощение рентгеновского излучения ослабевает. Поэтому коротковолновоеизлучение обладает большой проникающей способностью (жесткое излучение). Мягкоерентгеновское излучение очень сильно поглощается почти всеми веществами.Сильная зависимость коэффициента поглощения от частоты используется дляизготовления фильтров, отсекающих мягкую часть спектра. Поглощение рентгеновскогоизлучения - чисто атомное свойство вещества: молекулярный коэффициент поглощенияаддитивно складывается из атомных коэффициентов поглощения элементов, входящих всостав данного вещества.В 1925 г. Оже изучал процесс возникновения электронов при поглощении жесткогорентгеновского излучения атомами криптона.

Фотографируя треки возникающихфотоэлектронов в камере Вильсона, он обнаружил, что иногда из одной точки выходятследы двух, а не одного электрона. Это Оже–эффект. Механизм возникновения второго,Оже–электрона: Воздействие кванта жесткого рентгеновского излучения на атомприводит к выбросу электрона из К-слоя, в котором образуется «дырка». Атом становитсяионизованным и сильно возбужденным. Освобождение его энергии в виде рентгеновскогоизлучения не единственный механизм. Энергия возбуждения атома столь высока, чтовозможен вылет из него второго электрона с L–слоя, причем без излучения кванта K .Энергия Оже–электрона еV определяется законом сохранения энергии:eV =  K − E L ,(3.54) K – энергия фотона, который мог бы излучиться, EL –энергия ионизации L–электрона.В атоме происходит внутреннее перераспределение энергии - внутренняя конверсия,приводящее к выбросу из него Оже–электрона.

Атом становится двукратноионизованным. Оже–эффект - проявление общего процесса автоионизациивозбужденного атома, который происходит в результате внутренней конверсии.Особенно сильно этот эффект проявляется в случае запрещенных электромагнитныхпереходов, например, в 0–0 переходах.Рентгеновское излучение широко используется в самых различных областях наукии техники: в исследованиях электронной структуры атомов, молекул и твердых тел, вмедицине, минералогии, материаловедении и т.п.

Разработаны разнообразные методыисследований: рентгеновская микроскопия, рентгеновская спектроскопия, рентгеновскаятопография, созданы многочисленные приборы, в том числе для исследованийкосмических объектов (рентгеновский телескоп), а для исследования биологическихобъектов - безлинзовый жесткий рентгеновский микроскоп.Эффект Зеемана.Расщеплениеуровнейэнергиииспектральных линий излучающего атома вмагнитном поле. Лоренцевский триплет:0 −  L ,  0 , 0 +  L .(3.55)L =eB–2me cларморовскаячастотапрецессиимагнитного момента (Лармор, 1897).

Так же вквантовой теории (Дебай, Зоммерфельд, 1916):дополнительная энергия атома:E = − m  B B .(3.55a)2  +1 подуровней. Уровни энергии атома в магнитном поле:E = E0 − m  B B .Частота линии излучения (или поглощения):E − E2 E01 − E02  B(3.55б)= 1=−Bm = 0 − L m .0  ( E01 − E02 ) /  - частота линии излучения атома в отсутствиемагнитного поля.

По правилу отбора m  m 1 − m 2 = 0, 1При наблюдении поперек магнитного поля для некоторых простыхсинглетных линий, например, ртути, кадмия и др. - лоренцевскийтриплет (3.55). При продольном наблюдении - дублет, линия счастотой  0 отсутствует.Линии излучения - поляризация. Отношение e / me .Сложный, или аномальный эффект Зеемана.Случаи «слабого» и «сильного» магнитного поля.Расщепление, вызываемое магнитным полем, мало по сравнению с естественныммультиплетным расщеплением  (  L <<  ) - поле «слабое»: В противном случаемагнитное поле «сильное».

Например, для D–линии натрия магнитное поле слабое, если В<< 4  10 5 Гс; для первой линии лаймановской серии атома водорода слабые поля В <<8  10 3 Гс. Магнитное поле при  L =  - критическое.Случай слабого магнитного поля. Спин–орбитальное взаимодействие,приводящее к тонкой структуре, является более сильным, чем взаимодействие поотдельности магнитного спинового и магнитного орбитального моментов с внешниммагнитным полем.Нормальный тип связи атомных моментов. Полный момент импульса  атома J = L + S , полный магнитный момент  =  L +  S , где  L ,  S – магнитныемоменты. Во внешнем магнитном поле дополнительная энергия атома  E = −  B = −  B ,(3.56)Магнитные орбитальный и спиновый моменты связаны с механическими моментами  (3.57) L = − B L ,  S = −2 B S . =  || +  ⊥ .(3.57а)  =  || =  || J / J .(3.57б) ||   || – величина (модуль) вектора  || .

Дополнительная энергия атома (3.56) вмагнитном  E = − || J  B = − || B cos( JB) .Jполе:(3.58) e Lcos(LJ)+2Scos(SJ )2me c 2 2 2S +J −Lcos(SJ ) =. 2S J || =  L cos( LJ ) +  S cos( SJ ) =2 2 2L +J −S,. cos( LJ ) = 2L J22 2Je S +3J − L || == Bg .2me c2JПостоянная:(3.59)2 22S +3J − LJ ( J + 1) + S ( S + 1) − L( L + 1)g=1+(3.59a)22 J ( J + 1)2J- фактор, или множитель Ланде (1923).

Если магнитное поле B направлено вдоль оси z,то из (3.58), (3.59):JJ(3.60)cos( JB) = g B B z = g B BmJ .В слабом магнитном поле каждый уровень энергии атома расщепляется на 2J +1подуровней. Фактор Ланде для разных термов (табл. 9):Таблица 9S P P P D D DСостояния 2 S1 / 2 2 P1 / 2 2 P3 / 2 2 D3 / 2 2 D5 / 2g22/3 4/3 4/52 - 3/2 3/2 1/2 7/66/54/3Расщеплениеспектральнойлинииприпереходе между состояниями «1» и «2»: =  L ( g1mJ 1 − g 2 mJ 2 ) ,(3.61)переходы определяются правилами отбора:J = 0,  1; mJ = 0,  1; L = 0,  1 .Пример: расщепление D–линии (дублета)атома натрия.

Линия D1 расщепляется на 4компоненты с расщеплением частоты (вединицах  L ):  = 4/3, 2/3, –2/3, –4/3. ЛинияD2 расщепляется на 6компонент срасщеплением  = 5/3, 3/3, 1/3, –1/3, –3/3, –5/3.D–дублет натрия расщепляется на 10 линий,Линии D1 , D2 отсутствуют. Это наблюдается на опыте.E = g B B33130313231323Эффект Пашена–Бака.В случае сильного магнитного поля взаимодействие орбитального и спиновогомагнитных моментов по отдельности с магнитным полем превосходит их взаимодействиемежду собой.

Дополнительная энергия атома:   E = − L  B −  S  B .(3.62)  Векторы L, S , и векторы  L ,  S прецессируют вокруг направления магнитного поля.Дополнительная энергия атома:E = −(  Lz +  Sz )B = −( mL + 2mS ) B B .(3.62a)Наблюдается (2L+1)(2S+1) подуровней. Расщепление спектральнойлинии при переходах между состояниями «1» и «2»:1(3.63) = ( E1 − E2 ) = −(mL + 2mS )L .Правила отбора: mL = 0,1; mS = 0 . В сильном магнитном поле простой лоренцевский триплет - эффект Пашена−Бака (1912), илимагнитооптическое превращение.Электронный парамагнитный резонанс ЭПРПереходы между соседними подуровнями расщепившегося в магнитном полеуровня энергии по правилам отбора:J = 0,mJ = 1 .(3.64)частоты:g(3.65) =  B B  3 106  B(Гс) Гц.hПри В  3 10 3 Гс частота   1010 Гц, длина волны   3 см. Микроволновый диапазончастот (диапазон СВЧ).

Вероятность дипольных переходов (  3 ) в СВЧ диапазоненичтожно мала по сравнению с вероятностью в оптическом диапазоне. Вероятностьпереходов значительна при наложении дополнительного внешнего переменногомагнитного поля, - переходы становятся вынужденными. Если частота переменногомагнитного поля равна частоте перехода (3.65) - происходит поглощение энергии поляили вынужденное излучение. При этом скачком изменяется ориентация магнитногомомента атома - его проекция на выделенное направление.Излучение или поглощение электромагнитных волн при изменении ориентациимагнитных дипольных моментов атомов в магнитном поле - явление магнитногорезонанса.Качественная картина явления - классическая модель.

Характеристики

Список файлов лекций