Происхождение характеристического излучения

Тормозное и характеристическое рентгеновское излучение

Рентгеновское излучение обычно получают при бомбардировке быстрыми электронами поверхности какого-либо вещества в твердом состоянии. При этом возникает два типа рентгеновского излучения: тормозное и характеристическое. Экспериментально они легко различаются: спектр тормозного излучения является сплошным, а характеристического – линейчатым. Чаще всего одновременно образуются оба типа рентгеновских лучей. На фоне сплошного тормозного спектра наблюдаются резкие характеристические линии, интенсивность которых может во много раз превышать интенсивность фона. Длины волн линий характеристического спектра зависят только от вещества мишени. Именно этим и обусловлено его название. В случае же, когда энергия электронов меньше некоторой определенной величины (для каждого вещества своей), то возникает только тормозное излучение.

Физические механизмы образования характеристического и тормозного излучений существенно различны. Тормозное излучение возникает в результате замедления электронов, внедряющихся в вещество, электрическим полем атомных ядер. Характеристическое излучение вызывается перестройкой электронных оболочек атомов при выбивании из них одного из внутренних электронов, и поэтому вид характеристического спектра зависит от электронной структуры атома. Это дает возможность с помощью характеристических рентгеновских спектров исследовать строение атомов.

Для более конкретного рассмотрения связи между характеристическим спектром и атомной структурой необходимо, прежде всего, ознакомиться с основными принципами и результатами квантомеханического расчета сложных атомов с помощью стационарного уравнения Шредингера, которые изложены в разделах 8 и 9 теоретического введения к главе 3 (с. 118 – 122).

Происхождение характеристического излучения

Каждая линия рентгеновского характеристического излучения возникает в результате перехода атома с одного энергетического уровня на другой. Ее частота определяется правилом частот Бора

.

(8.1)

Поскольку рентгеновское излучение коротковолновое, разность энергий начального и конечного состояний атома очень велика и в случае тяжелых элементов в тысячи раз превосходит соответствующую разность в оптических областях спектра. Это указывает на то, что в таких квантовых переходах участвуют не только наружные, но и более прочно связанные внутренние электроны атома. Для этого, очевидно, необходимо, чтобы во внутренних электронных оболочках атома появились свободные места, на которые могли бы переходить электроны из более удаленных от ядер оболочек. В обычном состоянии атома свободных мест во внутренних оболочках нет – они являются замкнутыми, т. е. содержат максимальное разрешенное принципом Паули число электронов. Свободные места или «дырки» можно создать, воздействуя на атом быстрыми электронами, фотонами высоких энергий или другими быстрыми частицами, способными выбить один из внутренних электронов.

Пусть, например, электрон выбивается из наиболее глубокого слоя (K-слоя). В результате этого энергия атома, превратившегося в ион, возрастает на энергию ионизации из K-слоя. Обозначим через энергию атома с «дыркой» в K-слое. В эту дырку может переместиться электрон из соседнего L-слоя. Таким образом, K-слой окажется заполненным, а дырка появится уже в L-слое. Энергия атома с дыркой в L-слое меньше исходной энергии , поскольку электроны L-слоя имеют меньшую энергию связи. Если при таком переходе испускается рентгеновский квант, то его частота будет определяться соотношением (8.6). В дырку L-слоя может перейти электрон из М-слоя с испусканием рентгеновского кванта меньшей частоты. То же может произойти с электроном из N-слоя и т. д. Подобные переходы могут происходить не только между соседними слоями, но, например, между слоями M и K, N и K и т. д. В результате этих процессов возникает весь спектр рентгеновского характеристического излучения атома.