РЕНТГЕНОВСКИЕ СПЕКТРЫ

РЕНТГЕНОВСКИЕ СПЕКТРЫ

       

спектры испускания и поглощения рентг. излучения, т. е. эл.-магн. излучения в области длин волн от 10-4 до 103 ?. Для исследования Р. с. применяют спектрометры с диспергирующим элементом (кристаллом-анализатором или дифракц. решёткой) либо бездифракц. аппаратуру, состоящую из детектора (сцинтилляционного, газового пропорционального или полупроводникового счётчика) и амплитудного анализатора импульсов (см. СПЕКТРАЛЬНАЯ АППАРАТУРА РЕНТГЕНОВСКАЯ).

Спектр излучения рентгеновской трубки представляет собой наложение т о р м о з н о г о и х а р а к т е р и с т и ч е с к о г о Р. с. Тормозной Р. с. возникает при торможении заряж. ч-ц, бомбардирующих мишень (см. ТОРМОЗНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ). Интенсивность тормозного спектра быстро растёт с уменьшением массы бомбардирующих ч-ц и достигает значит. величины при возбуждении эл-нами. Тормозной Р. с.— сплошной, он непрерывно распределён по всем дл. волн l вплоть до KB границы l0= hc/eV (здесь е -заряд бомбардирующей ч-цы, V - пройденная ею разность потенциалов).

Рис. 1. Распределение интенсивности I тормозного излучения W по длинам волн l при разл. напряжениях V на рентг. трубке.

С возрастанием энергии ч-ц интенсивность тормозного Р. с. I растёт, а l0 смещается в сторону коротких волн (рис. 1); с увеличением порядкового номера Z атомов мишени I также растёт.

Характеристич. Р. с.— дискретные, их испускают атомы мишени при столкновении с заряж. ч-цей высокой энергии (п е р в и ч н ы е Р. с.) или рентг. фотоном (ф л у о р е с ц е н т н ы е Р. с.). В результате столкновения с одной из внутр. оболочек атома (К-, L-, М-,... оболочек) вылетает эл-н. Состояние атома с вакансией во внутр. оболочке (его нач. состояние) неустойчиво. Эл-н одной из внеш. оболочек может заполнить эту вакансию, и атом при этом переходит в конечное состояние с меньшей энергией, испуская избыток энергии в виде фотона характеристич. излучения. Поскольку энергии начального ?1 и конечного ?2 состояний атома квантованы, возникает линия Р. с. с частотой v= (?1-?2)/h. Все возможные излучательные квант. переходы атома из нач. K-состояния образуют наиболее жёсткую (коротковолновую ) .К-серию.

Рис. 2. Схема К-, L-, М-уровней атома и осн. линии К- и L-серий.

Аналогично образуется L-, М-, N-ceрии (рис. 2). Положение линий характеристич. Р. с. зависит от ат. номера элемента, составляющего мишень (см. МОЗЛИ ЗАКОН).

Каждая серия характеристич. Р. с, возбуждается при прохождении бомбардирующими ч-цами определённой разности потенциалов — потенциала возбуждения Vq (q — индекс возбуждаемой серии, рис. 3). При дальнейшем росте V интенсивность I линий этого спектра растёт пропорционально (V-Vq)2, затем рост интенсивности замедляется и при V »11Vq начинает падать.

Рис. 3. Зависимость интенсивности I тормозного рентгеновского спектра от частоты n вблизи nq. 1 — без поглотителя, 2 — после прохождения поглотителя.

Относит. интенсивности линий одной серии определяются вероятностями квантовых переходов и, следовательно, соответствующими отбора правилами.

Спектр поглощения получают, пропуская рентг. излучение непрерывного спектра через тонкий поглотитель. При этом распределение интенсивности по спектру изменяется — наблюдаются скачки и флуктуации поглощения, к-рые и представляют собой спектры поглощения. Для каждого уровня Р. с. поглощения имеют резкую низкочастотную (длинноволновую) границу nq(hnq=eVq), при к-рой происходит скачок поглощения.

В Р. с. поглощения наблюдаются небольшие флуктуации интенсивности (далёкая тонкая структура), обусловленные вз-ствием эл-на, удалённого из исследуемого атома, с соседними атомами.

Р. с. нашли применение в рентгеновской спектроскопии, спектральном анализе- рентгеновском, рентгеновском структурном анализе.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.

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.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.