Тема уроку: РЕНТГЕНІВСЬКІ СПЕКТРИ.
Значну роль в встановленні деталей будови атома, а саме, розподіл електронів по оболонкам, зіграли дані про спектри рентгенівського випромінювання. Рентгенівське випромінювання відкрите в 1895 р.
Для отримання рентгенівських променів слугують спеціальні електровакуумні прилади; найпростіші з них – відкачні (
) рентгенівські трубки, в яких катод слугує джерелом електронів, а анод (антикатод) – джерелом рентгенівських променів. Між катодом і анодом створюється сильне електричне поле, яке розганяє електрони до енергії 
еВ. Рентгенівські промені виникають при гальмуванні речовиною антикатода швидких електронів і представляють собою електромагнітні хвилі
. Їх хвильова природа доведена прямими експериментами.Дослідження спектрального складу рентгенівського випромінювання показало, що спектр має складну структуру і залежить як від енергії електронів, так і від речовини антикатода.
Рис. 7.4.1
З (рис. 7.4.1) видно, що
спектр рентгенівських променів представляє собою накладання суцільного і лінійного спектру – сукупність декількох вузьких ліній і суцільного спектра, обмеженого зі сторони коротких довжин хвиль деякої границі
, яка називається границею суцільного спектра.Зміна енергії електронів і речовини антикатода показало, що характер суцільного спектра зовсім не залежить від речовини антикатода, а залежить тільки від енергії бомбардуючих електронів. Це є свідченням того, що суцільний спектр випускається самими бомбардуючими електронами. Досліди властивостей цього випромінювання доводять, що воно виникає в результаті різкого гальмування, що виникає в електронах, які пролітають поряд з атомними ядрами.
Згідно класичної теорії випромінювання, при гальмуванні рухомих зарядів повинно дійсно виникати випромінювання з неперервним спектром. Неперервний рентгенівський спектр тому і називається гальмівним спектром.
Наявність границі гальмівного спектру не може бути пояснена на основі класичної теорії. Виявляється, що зі збільшенням кінетичної енергії W електронів, які викликають гальмівне рентгенівське випромінювання, довжина хвиль
зменшуються. Це може бути пояснено на основі квантових уявлень. Очевидно, що гранична енергія кванта відповідає такому випадку гальмуванню, при якому вся кінетична енергія електрона переходить в енергію кванта. Отже, повинно мати місце співвідношення:
(7.4.1)де
– різниця потенціалів, за рахунок якої електрону надається енергія 
, а 
– частота, що відповідає границі неперервного спектру.Звідси гранична довжина хвилі:
, (7.4.2)Що повністю відповідає експериментальним даним.
Другий тип рентгенівського спектру – лінійчатий спектр – характерний для елемента, з якого зроблений антикатод.
Цей тип випромінювання отримав назву характеристичного рентгенівського випромінювання. До тих пір, поки енергія електронів недостатня для збудження характеристичного випромінювання, виникає тільки гальмівне випромінювання. Зі збільшенням енергії електронів на фоні суцільного гальмівного спектру виникають різкі лінії характеристичного спектру, інтенсивність яких в багато разів перевищує інтенсивність фону.
Особливістю характеристичного спектра є те, що атоми кожного хімічного елементу, незалежно від того, в яких хімічних з’єднаннях вони знаходяться, володіють своїми, повністю визначеним, лінійчатим спектром. Для оптичних же лінійчатих спектрів спостерігається їх істотна відмінність для атомів, які знаходяться в вільному стані і в хімічних з’єднаннях. Якщо, наприклад, антикатод складається із декількох елементів, то і характеристичне рентгенівське випромінювання представляє собою накладання спектрів цих деяких елементів.
Рентгенівські спектри на відміну від оптичних спектрів (вони суттєво змінюються при переході від одного елемента періодичної системи до іншого) відрізняються помітною простотою. Вони складаються із декількох серій, які позначаються буквами K, L, M, N і O. Кожна серія налічує невелике число ліній, які позначаються в порядку зменшення довжини хвилі індексами:
. В свою чергу, спектри різних елементів мають подібний характер; при переході від деякого елемента з порядковим номером Z до елемента з порядковим номером (Z + 1) структура характеристичного спектру не змінюються, лише всі лінії зміщуються в бік великих частот (в бік коротких довжин хвиль).
Всі дані, які приведені про характеристичні рентгенівські спектри, вказують на те, що їх виникнення зв’язано з процесами, які відбуваються в внутрішніх, заповнених електронних оболонках атомів, які мають подібну будову.
Схема виникнення рентгенівських спектрів дана на (рис. 7.4.2)
Рис. 7.4.2
Збудження атома складається із видалення одного із внутрішніх електронів. Якщо, наприклад, під дією зовнішнього швидкого електрона виривається один з двох електронів К-шару, то на його місце може перейти електрон з L, M, N і інших оболонок. Такий перехід зв’язаний з виділенням квантів визначеної енергії і виникненням ліній рентгенівської К-серії. Очевидно, що для виривання електрона із К-оболонки, найбільш близької до ядра, де електрони мають найбільше притяжіння до ядра, потрібна затрата значної кількості енергії – роботи виривання електрона. Тому для кожного атома існує визначена границя збудження К-серії. Переходу електрона з L-оболонки на К-оболонку відповідає сама довгохвильова лінія
даної серії. Частоти ліній зростають при переході від ліній 
, що пов’язано зі збільшенням енергії, що виділяється при переході електрона на К-оболонку із все більш віддалених оболонок. Інтенсивність ліній при переході від ліній 
, зменшуються, так як ймовірність переходів на К-оболонку з L-оболонки більше, ніж з M, N, … оболонок.Аналогічно виникають і другі серії. К-серія обов’язково супроводжується іншими серіями, так як при випусканні її ліній звільнюються рівні в оболонках L, M, N, і так далі, які будуть в свою чергу заповнюватися електронами із більш високих енергетичних оболонок.
Контрольні запитання:
Що собою представляють та як утворюються спектри лужних металів?
Що таке магнітний та механічний моменти?
В чому полягає ефект Зеємана?
Що таке спін електрона?
В чому полягає мультиплетність спектру?
Що собою представляє рентгенівське випромінювання?
ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ:
Підготувати семінар на тему «Рентгенівські спектри»
План семінару:
1. Природа та одержання рентгенівського випромінювання.
2. Гальмівне і характеристичне випромінювання і його спектри.
3. Поглинання і розсіювання рентгенівського випромінювання.
4. Застосування рентгенівського випромінювання.