Характеристическое рентгеновское излучение. Закон Мозли. Дублетный характер рентгеновских спектров.

Большую роль в выяснении строения атомов, а именно распределения электронов по оболочкам, сыграло излучение, открытое в 1895 г. немецким физиком В. Рентгеном и названное рентгеновским. Наиболее распространенным источником рентгеновского излучения является рентгеновская трубка, в которой сильно ускоренные электрическим полем электроны бомбардируют анод, испытывая на нем резкое торможение. При этом возникает рентгеновское излучение, представляющее собой электромагнитные волны с длиной волны примерно 10^-12—10^-8м.

Исследования спектрального состава рентгеновского излучения показывает, что его спектр имеет сложную структуру и зависит как от энергии электронов, так и от материала анода. Спектр представляет собой наложение сплошного спектра, ограниченного со стороны коротких длин волн некоторой границей l_min, называемой границей сплошного спектра, и линейчатого спектра—совокупности отдельных линий, появляющихся на фоне сплошного спектра.

Исследования показали, что характер сплошного спектра совершенно не зависит от материала анода, а определяется только энергией бомбардирующих анод электронов в результате их торможения при взаимодействии с атомами мишени. Сплошной рентгеновский спектр поэтому называют тормозным спектром.

При достаточно большой энергии бомбардирующих анод электронов на фоне сплошного спектра появляются отдельные резкие линии—линейчатый спектр, определяемый материалом анода и называемый потому характеристическим линейчатым спектром (излучением).

По сравнению с оптическими спектрами характеристические рентгеновские спектры элементов совершенно однотипны и состоят из нескольких серий, обозначаемых K, L, M, N и O. Каждая серия, в свою очередь, содержит небольшой набор отдельных линий, обозначаемых в порядке убывания длины волны индексами a, b, g, …(K_a, K_b, K_g, …, L_a, L_b, L_g, …). При переходе от легких элементов к тяжелым структура характеристического спектра не изменяется, лишь весь спектр смещается в сторону коротких волн. Особенность этих спектров заключается в том, что атомы каждого химического элемента, независимо от того, находятся ли они в свободном состоянии или входят в химическое соединение, обладают определенным, присущим только данному элементу линейчатым спектром характеристического излучения.

Рассмотрение структуры и особенностей характеристических линейчатых спектров приводит к выводу, что их возникновение связано с процессами, происходящими во внутренних, застроенных электронных оболочках атомов, которые имеют сходное строение.

Разберем механизм возникновения рентгеновских серий. Предположим, что под влиянием внешнего электрона или высокоэнергетического фотона вырывается один из двух электронов К-оболочки атома. Тогда на его место может перейти электрон с более удаленных от ядра оболочек L, M, N, ….Такие переходы сопровождаются испусканием рентгеновских квантов и возникновением спектральных линий К-серии: K_a,(L®K), K_b(M®K), K_g(N®K) и т. д. Самой длинноволновой линией К-серии является линия K_a. Частоты линий возрастают в ряду K_a® K_b® K_g убывают, так как вероятность переходов электронов с L-оболочки наК-оболочку больше, чем с более удаленных оболочек М и N. К-серия сопровождается обязательно другими сериями, так как при испускании ее линий появляются вакансии в оболочках L, М, …, которые будут заполнятся электронами, находящимися на более высоких уровнях.

Аналогично возникают и другие серии, наблюдаемые только для тяжелых элементов. Рассмотренные линии характеристического излучения могут иметь тонкую структуру, поскольку уровни, определяемые главным квантовым числом, расщепляются согласно значениям орбитального и магнитного квантового чисел.

Исследуя рентгеновские спектры элементов, английский физик Г. Мозли установил в 1913 г. соотношение, называемое законом Мозли: n=R(Z-s)(1/m²-1/n²),

где n--частота, соответствующая данной линии характеристического рентгеновского излучения, R—постоянная Ридберга, s--постоянная экранирования, m=1,2,3, …(определяет рентгеновскую серию), n принимает целочисленные значения с m+1 (определяет отдельную линию соответствующей серии).

Смысл постояннай экранирования заключается в том, что на электрон, соответствующий некоторой линии, действует не весь заряд ядра Ze, а заряд (Z-s)е, ослабленный экранирующим действием других электронов.

Молекулярные спектры.

Строение молекул и свойства их энергетических уровней проявляются в молекулярных спектрах – спектрах излучения (поглощения), возникающих при квантовых переходах между уровнями энергии молекул. Спектр излучения молекулы определяется структурой её энергетических уровней и соответствующими правилами отбора.

При разных типах переходов между уровнями возникают различные типы молекулярных спектров. Частоты спектральных линий, испускаемых молекулами, могут соответствовать переходам с одного электронного уровня на другой (электронные спектры) или с одного колебательного (вращательного) уровня на другой (колебательные (вращательные) спектры). Кроме того, возможны и переходы с одними значениям и на уровни, имеющие другие значения всех трех компонентов, в результате чего возникают электронно – колебательные и колебательно – вращательные спектры. Поэтому спектр молекул довольно сложный.

Типичные молекулярные спектры – полосатые, представляющие собой совокупность более или менее узких полос в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях. Структура молекулярных спектров различна для разных молекул и с увеличением числа атомов в молекуле усложняется (наблюдаются лишь сплошные широкие полосы). Колебательными и вращательными спектрами обладают только многоатомные молекулы, а двухатомный их не имеют. Это объясняется тем, что двухатомные молекулы не имеют дипольных моментов (при колебательных и вращательных переходах отсутствует изменение дипольного момента, что является необходимым условием отличия от нуля вероятности перехода)