Рентгеновские спектры. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Рентгеновские спектры - спектры испускания (эмиссионные Рентгеновские спектры) и поглощения (абсорбционные Р. с.) рентгеновского излучения. В зависимости от механизма возбуждения рентг. излучения, от излучающей системы Рентгеновские спектры могут быть непрерывными или линейчатыми. Линейчатый Р. с. испускают атомы и ионы после ионизации их внутр. оболочек при последующем заполнении образовавшихся вакансий; такой Рентгеновский спектр наз. характеристическим, т. к. однозначно характеризует излучаемый атом. Непрерывным является тормозной Рентгеновские спектры (см. Тормозное излучение ),спектр синхротронного излучения или ондуля торного излучения в рентг. диапазоне. Чаще всего исследуют Р. с. твёрдых тел, возбуждаемые рентгеновской трубкой. Большой интерес 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. детектора и амплитудного анализатора импульсов (т. н. энергетич. дисперсия; см. Рентгеновская спектральная аппаратура).

Спектр излучения рентг. трубки - первичного рентг. излучения - является наложением характеристического Р. с. на тормозной. Исследуемое вещество в этом случае служит анодом трубки. Характеристич. излучение атомов анода возбуждается при ионизации их внутр. оболочек электронным пучком, тормозное излучение - при торможении электронов в веществе анода. Характеристич. Рентгеновские спектры получаются также при возбуждении флуоресценции в рентг. диапазоне вещества первичным рентг. излучением.

Характеристические рентгеновские спектры состоят из спектральных серий (К, L, M, N, О), все линии каждой из к-рых объединены общим начальным уровнем ионизации; уровни энергии, с к-рых происходит квантовый переход при 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 элементов образуют одинаковые группы дублетов, что позволило дать им одинаковые для всех 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. появляются одновременно 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 возбуждается и испускает излучение q-сетрии: интенсивность I_q линий растёт. Для напряжений V_q < V < 3V_q интенсивность g-линий I_q ~ (V - Vq)². С дальнейшим ростом V рентг. излучение частично поглощается атомами анода при выходе из него, рост I_qзамедляется. 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 числа уровней энергий к, L₁, L₂ и др.

При возбуждении первичным излучением флуоресценции в рентг. диапазоне длин волн (см. Люминесценция)интенсивность линий флуоресценции зависит 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 флуоресцентного излучения, но с дальнейшим возрастанием w > w_q интенсивность I_q быстро падает. Поэтому для возбуждения флуоресцентного излучения для анода используют вещество, яркие линии характеристич. спектра к-рого расположены со стороны частот w > w_q и как можно ближе к w_q. Для возбуждения флуоресцентного излучения q-серии данного элемента можно также использовать тормозное излучение 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 вакансией на q-уровне, к-рая определяется суммарной вероятностью испускания фотонов при заполнении данной вакансии электроном каждого из вышерасположенных уровней. Однако с вероятностью р_A та же вакансия может заполняться электроном безызлучательно в результате оже-зффекта. Для K-серии средних и тяжёлых элементов р_r > р_A, для лёгких элементов р_r < р_A. Для остальных серий всех элементов

. Отношение f = Р_r/(Р_r + Р_A)наз. выходом характеристич. излучения.

Кроме линий характеристич. излучения, появляющихся после однократной ионизации атома, в спектре обнаруживаются и более слабые линии, возникающие при двукратной (или даже многократной) ионизации атома, когда на разных его оболочках одноврем. образуются 2 (или более) вакансии. Если, напр., в атоме образовалась лишь одна вакансия в K-оболочке и она заполняется электроном L_2,3-оболочки, то атом испускает дублет

. Если кроме вакансии в K-оболочке в атоме образовалась ещё одна вакансия в L_2,3-оболочке, к-рая сохраняется при переходе атома 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

.В результате 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 или сотни раз слабее интенсивности осн. линии, однако при бомбардировке атомов тяжёлыми ионами высокой энергии вероятность многократной ионизации атома превосходит вероятность его однократной ионизации и интенсивность осн. линии оказывается значительно меньше интенсивности сателлитов.

Тормозной рентгеновский спектр. Тормозное излучение рентг. трубки возникает при рассеянии электронов на электростатич. поле атома. Потеря энергии электрона на излучение при этом носит квантовый характер и сопровождается испусканием фотона 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 V 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 поглощение тормозного излучения веществом анода, т. е. возбуждение его K-серии (рис. 2).

Рис. 2. Спектральное распределение интенсивности I_Т тормозного излучения рентгеновской трубки по длинам волн - квантовая граница спектра, - длина волны излучения при максимальной интенсивности,-квантовая граница 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 (атомами Be), вследствие чего при

нм интенсивность рентг. излучения практически равна нулю. С возрастанием напряжения V на рентг. трубке

сдвигаются в сторону меньших

Спектр поглощения получают, пропуская тормозное излучение рентг. трубки или синхротронное излучение через тонкий поглотитель. При энергиях фотонов

(

- энергия ионизации Я-уровня атомов поглотителя) из атома в результате фотоэффекта могут быть вырваны электроны с любого из уровней энергии атома, т. е. в процессе поглощения участвуют электроны всех оболочек атома. При

электроны Я-оболочки не вырываются излучением и в процессе поглощения участвуют лишь электроны всех остальных оболочек, начиная с L-оболочки. Поэтому при

наблюдается скачок поглощения S_K. Б этой точке спектра поглощение резко уменьшается и интенсивность рентг. излучения, прошедшего через поглотитель, скачком возрастает. Скачок поглощения S_K изменяется с ат. номером Z элементов от 35 для самых лёгких элементов до 5 для самых тяжёлых. Аналогичные скачки поглощения наблюдаются и 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 квантовую границу возбуждения соответствующей спектральной серии эмиссионного Р. с.

Интенсивность рентг. излучения, прошедшего через поглотитель с поверхностной плотностью т (в г/см²), определяется ф-лой

, где I₀ - интенсивность излучения до поглощения,

- массовый коэф. поглощения (в см²/г). В пределах между двумя соседними краями поглощения

растёт

. Зависимость

во всём интервале

представляет спектр поглощения. С коротковолновой стороны от каждого края поглощения величина т претерпевает флуктуации, к-рые несут информацию о структуре вещества и изучаются методами рентгеновской спектроскопии.

Для осуществления излучат. перехода в атоме после возникновения вакансии на его внутр. оболочке необходимо, чтобы на более удалённой оболочке был хотя бы один электрон. Так, после образования вакансии в K-оболочке фотон 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 твёрдом теле изменяет распределение электронов по оболочкам атома и линия

наблюдается уже у Li (Z = 3).

Особый интерес представляет эмиссионный переход атома при заполнении внутр. вакансии электроном валентной оболочки атома, если она заполнена частично, т. е. когда в ней имеются вакансии. Так, при наличии вакансии на 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 заполняется и поглощение возможно лишь при забрасывании К-электрона в более удалённую оболочку, где имеются вакансии. Т. о., при возрастании Z атом, у к-рого впервые энергия поглощаемого фотона (края поглощения) превысит энергию фотона

-линии, имеет заполненную M_4,5-оболочку. Если для свободных атомов эта оболочка впервые заполняется у Сu (Z = 29), то в твёрдом теле такое заполнение происходит только у Ge (Z = 32). Т. о., Р. с. позволяют получить полную картину заполнения электронных оболочек атома в твёрдых телах при возрастании Z.

Литература по рентгеновским спектрам

Знаете ли Вы, что только в 1990-х доплеровские измерения радиотелескопами показали скорость Маринова для CMB (космического микроволнового излучения), которую он открыл в 1974. Естественно, о Маринове никто не хотел вспоминать. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.