Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
РЕНТГЕНОВСКИЕ СПЕКТРЫ

РЕНТГЕНОВСКИЕ СПЕКТРЫ

РЕНТГЕНОВСКИЕ СПЕКТРЫ - спектры испускания (эмиссионныеР. с.) и поглощения (абсорбционные Р. с.) рентгеновского излучения. В зависимости от механизма возбуждения рентг. излучения, от излучающейсистемы Р. с. могут быть непрерывными или линейчатыми. Линейчатый Р. с. <испускают атомы и ионы после ионизации их внутр. оболочек при последующемзаполнении образовавшихся вакансий; такой Р. е. наз. характеристическим, <т. к. однозначно характеризует излучаемый атом. Непрерывным является тормознойР. с. (см. Тормозное излучение), спектр синхротронного излучения или ондуля торного излучения в рентг. диапазоне. Чаще всегоисследуют Р. с. твёрдых тел, возбуждаемые рентгеновской трубкой. Большойинтерес представляет изучение Р. с. многозарядных ионов и плазмы. Для получения и исследования Р. с. применяют спектрометры 2 типов:спектрометры с диспергирующим элементом - кристаллом-анализатором или дифракц. <решёткой (т. н. волновая дисперсия) и спектрометры на основе пропорц. детектораи амплитудного анализатора импульсов (т. н. энергетич. дисперсия; см. Рентгеновскаяспектральная аппаратура).

Спектр излучения рентг. трубки - первичного рентг. излучения - являетсяналожением характеристического Р. с. на тормозной. Исследуемое веществов этом случае служит анодом трубки. Характеристич. излучение атомов анодавозбуждается при ионизации их внутр. оболочек электронным пучком, тормозноеизлучение - при торможении электронов в веществе анода. Характеристич. <Р. с. получаются также при возбуждении флуоресценции в рентг. диапазоневещества первичным рентг. излучением.

Характеристические рентгеновские спектры состоят из спектральных серий( К, L, M, N, О), все линии каждой из к-рых объединены общим начальнымуровнем ионизации; уровни энергии, с к-рых происходит квантовый переходпри заполнении образовавшейся вакансии для линий одной серии различны. <Вероятность излучат. переходов разл. мультипольности, а следовательно, <и интенсивность соответствующих спектральных линий определяются различными отбора правилами. Переходы для наиб. ярких линий К- и L- серий, <а также обозначения этих линий приведены на рис. 1. Линии одной серии элементовобразуют одинаковые группы дублетов, что позволило дать им одинаковые длявсех ат. номеров Z обозначения греческими или латинскими буквами. <Зависимость спектрального положения одноимённых линий от Z определяется Мозли законом.

С возрастанием напряжения V на рентг. трубке в Р. с. появляютсяодновременно все линии q -серии, когда V превысит потенциал V_q возбуждения нижнего общего для них уровня энергии(g-серия - одна из К-, L-, М-,...серий). С дальнейшим повышением -V электроны проникают глубже в анод, всё большее число атомов возбуждаетсяи испускает излучение q-сетрии: интенсивность I_q линийрастёт. Для напряжений V_q < V< 3V_q интенсивность g-линий I_q ~ (V - Vq)². С дальнейшимростом V рентг. излучение частично поглощается атомами анода привыходе из него, рост I_q замедляется. При с дальнейшим повышением F интенсивность i_q уменьшается, <т. к. большинство возбуждённых атомов располагается так глубоко в аноде, <что их излучение поглощается в нём.

Рис. 1. Схема К-, L- и М-уровней энергии атома и основные линии K-и L-серий; n, l, j - главное, орбитальное и внутреннее квантовые числауровней энергий к, L₁, L₂ и др.

При возбуждении первичным излучением флуоресценции в рентг. диапазонедлин волн (см. Люминесценция )интенсивность линий флуоресценциизависит от энергии фотонов первичного излучения. Если w < w_q, где w_q- частота порога возбуждения 9-серии, то I_q = 0. При w = w_q появляется вся q -серия флуоресцентногоизлучения, но с дальнейшим возрастанием w > w_q интенсивность I_q быстро падает. Поэтому для возбужденияфлуоресцентного излучения для анода используют вещество, яркие линии характеристич. <спектра к-рого расположены со стороны частот w > w_q икак можно ближе к w_q. Для возбуждения флуоресцентногоизлучения q -серии данного элемента можно также использовать тормозноеизлучение анода рентг. трубки из атомов элементов с возможно большим Z.

Интенсивность характеристич. спектра (как первичного, так и флуоресцентного)зависит от вероятности р _r излучат. перехода атома с вакансиейна q -уровне, к-рая определяется суммарной вероятностью испусканияфотонов при заполнении данной вакансии электроном каждого из вышерасположенныхуровней. Однако с вероятностью р _A та же вакансия можетзаполняться электроном безызлучательно в результате оже-зффекта. Для K -серии средних и тяжёлых элементов р _r > р _A, для лёгких элементов р _r < р _A. Дляостальных серий всех элементов . Отношение f = Р _r/(Р _r+ Р _A )наз. выходом характеристич. излучения.

Кроме линий характеристич. излучения, появляющихся после однократнойионизации атома, в спектре обнаруживаются и более слабые линии, возникающиепри двукратной (или даже многократной) ионизации атома, когда на разныхего оболочках одноврем. образуются 2 (или более) вакансии. Если, напр.,в атоме образовалась лишь одна вакансия в K -оболочке и она заполняетсяэлектроном L_2,3 -оболочки, то атом испускает дублет . Если кроме вакансии в K- оболочке в атоме образовалась ещё однавакансия в L_2,3 -оболочке, к-рая сохраняется при переходеатома из начального состояния двукратной ионизации KL_2,3 в конечное состояние также двукратной ионизации' L_2,3L_2,3,то атом испускает излучение с энергией, немного превышающей энергию дублета : в спектре появляется дублет ,называемый сателлитом осн. дублета .Врезультате процессов, связанных с начальной двукратной (или многократной)ионизацией атома, в Р. с. появляются многочисл. сателлиты - спутники осн. <линий однократной ионизации атома. Интенсивность сателлитов в десятки илисотни раз слабее интенсивности осн. линии, однако при бомбардировке атомовтяжёлыми ионами высокой энергии вероятность многократной ионизации атомапревосходит вероятность его однократной ионизации и интенсивность осн. <линии оказывается значительно меньше интенсивности сателлитов.

Тормозной рентгеновский спектр. Тормозное излучение рентг. трубки возникаетпри рассеянии электронов на электростатич. поле атома. Потеря энергии электронана излучение при этом носит квантовый характер и сопровождается испусканиемфотона с энергией к-рая не может превосходить кинетич. энергию электрона:. Частота w₀, соответствующая равенству ,наз. квантовой границей тормозного спектра. Длина волны (также называемая границей тормозного спектра) зависит от напряжения . на рентг. трубке:

(- в нм, V - в кВ). При интенсивность тормозного излучения I _т = 0. С ростом от до = интенсивность I _т возрастает, а затем падает, т. к. возрастает поглощениетормозного излучения веществом анода, т. е. возбуждение его K -серии(рис. 2).

Рис. 2. Спектральное распределение интенсивности I _Т тормозногоизлучения рентгеновской трубки по длинам волн - квантовая граница спектра,- длина волны излучения при максимальной интенсивности, -квантоваяграница возбуждения К-серии атома анода.

Интенсивность I _т скачкообразно возрастает при значении ,большем значения (см. ниже). В области больших становится существенным поглощение излучения «окном» рентг. трубки (атомамиBe), вследствие чего при нм интенсивность рентг. излучения практически равна нулю. С возрастаниемнапряжения V на рентг. трубке сдвигаются в сторону меньших

Спектр поглощения получают, пропуская тормозное излучение рентг. трубкиили синхротронное излучение через тонкий поглотитель. При энергиях фотонов ( - энергияионизации Я-уровня атомов поглотителя) из атома в результате фотоэффектамогут быть вырваны электроны с любого из уровней энергии атома, т. е. впроцессе поглощения участвуют электроны всех оболочек атома. При электроны Я-оболочки не вырываются излучением и в процессе поглощения участвуютлишь электроны всех остальных оболочек, начиная с L-оболочки. Поэтому при наблюдается скачок поглощения S_K. Б этой точке спектрапоглощение резко уменьшается и интенсивность рентг. излучения, прошедшегочерез поглотитель, скачком возрастает. Скачок поглощения S_K изменяется с ат. номером Z элементов от 35 для самых лёгкихэлементов до 5 для самых тяжёлых. Аналогичные скачки поглощения наблюдаютсяи при переходе через энергии остальных q -уровней атома. Поскольку каждой энергии соответствует свой скачок поглощения, эти энергии наз. краями поглощения q -уровней. Каждый край поглощения определяет вместе с тем и квантовуюграницу возбуждения соответствующей спектральной серии эмиссионного Р. <с.

Интенсивность рентг. излучения, прошедшего через поглотитель с поверхностнойплотностью т (в г/см ²), определяется ф-лой , где I₀ - интенсивность излучения до поглощения,- массовый коэф. поглощения (в см ²/г). В пределах между двумясоседними краями поглощения растёт .Зависимость во всём интервале представляет спектр поглощения. С коротковолновой стороны от каждого краяпоглощения величина т претерпевает флуктуации, к-рые несут информацию оструктуре вещества и изучаются методами рентгеновской спектроскопии.

Для осуществления излучат. перехода в атоме после возникновения вакансиина его внутр. оболочке необходимо, чтобы на более удалённой оболочке былхотя бы один электрон. Так, после образования вакансии в K -оболочкефотон линии испускается при переходе .У свободных атомов с возрастанием Z первый электрон в оболочке L_2,3 появляется только у В (Z= 5). Однако взаимодействие атомов в твёрдомтеле изменяет распределение электронов по оболочкам атома и линия наблюдается уже у Li (Z= 3).

Особый интерес представляет эмиссионный переход атома при заполнениивнутр. вакансии электроном валентной оболочки атома, если она заполненачастично, т. е. когда в ней имеются вакансии. Так, при наличии вакансиина K -уровне, заполняемой электронами с валентного M_4,5 -уровня,K -электрон в процессе поглощения может быть заброшен на вакансию M_4,5 -уровня, а один из электронов этого же уровня заполняет К- вакансию, т. е. абсорбционный и эмиссионный переходы взаимно обратны, <и энергия поглощаемого фотона равна энергии испускаемого фотона (линия ).С возрастанием Z оболочка M_4,5 полностью заполняетсяи поглощение возможно лишь при забрасывании К- электрона в болееудалённую оболочку, где имеются вакансии. Т. о., при возрастании Z атом, <у к-рого впервые энергия поглощаемого фотона (края поглощения) превыситэнергию фотона -линии, <имеет заполненную M_4,5 -оболочку. Если для свободных атомовэта оболочка впервые заполняется у Сu (Z= 29), то в твёрдом телетакое заполнение происходит только у Ge (Z= 32). Т. о., Р. с. позволяютполучить полную картину заполнения электронных оболочек атома в твёрдыхтелах при возрастании Z.

Р. с. нашли применение в рентгеноспектральном анализе, в рентг. <спектроскопии, рентгеновском структурном анализе, а также при исследованиираспределения по уровням энергии электронов в атомах твёрдого тела.

Лит. см. при ст. Рентгеновское излучение. М. А. Блохин.