Рентгеновские спектры

КРИСТАЛЛОГРАФИЯ

СИММЕТРИЯ

ЛЕКЦИЯ 8

Лекция 8

ДИФРАКЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ

Содержание

 

8.1. Рентгеновские спектры.

8.2. Поглощение рентгеновских лучей веществом.

8.3. Принципы дифракционных методов исследования кристаллов.

Рентгеновские спектры

Все вещества природы дают как оптические спектры, так и рентгеновские спектры. Самым распространённым методом исследования структуры и свойств веществ является рентгеноструктурный анализ. Рентгеновские спектры бывают двух видов: тормозной (сплошной) и характеристический (линейчатый). Оба вида спектров получают при работе рентгеновских трубок.

Рентгеновская трубка – вакуумный баллон с впаянными электродами (катодом – К и анодом – А), между которыми создаётся высокое напряжение (600–800) В (рис. 8.1). Спектр рентгеновского излучения определяется веществом анода (антикатода). Обычно это медь, хром, вольфрам, железо, кобальт.

 

                                   Рис. 8.1.Рентгеновская трубка

 

Электроны, резко тормозясь в веществе антикатода, испускают электромагнитное излучение в рентгеновском диапазоне длин волн, меньших 1нм и создают сплошной рентгеновский спектр излучения. Он получается при резком торможении летящих из катода электронов, попавших в вещество анти­катода. Сплошной (тормозной) рентгеновский спектр не зависит от вещества антикатода, а зависит от напряжения на рентгеновской трубке. Он имеет резко выраженную коротковолновую границу.

Наличие в сплошном рентгеновском спектре коротковолновой границы объясняется в рамках квантовой физики. Энергию рентгеновского кванта с длиной волны   λ приравняем к работе сил электрического поля, разогнавше­го электрон:

 

Чем больше напряжение на рентгеновской трубке, тем меньше длина волны коротковолновой части сплошного рентгеновского спектра.

При определённом достаточно большом напряжении U на рентгеновской трубке на фоне сплошного спектра возникают очень большие по интенсивности узкие спектральные линии – это характеристический спектр (рис. 8.3). Он получается при переходах электронов вещества антикатода между внутренними энергетическими уровнями атома. Его свойства напрямую определяются веще­ством антикатода.

 

                           

   

 

                              Рис. 8.2.Сплошной рентгеновский спектр

 

При определённом напряжении на рентгеновской трубке внешний электрон, имеющий энергию eU_k, приобретёт кинетическую энергию, равную энергии ионизации атома:

 

 

   Он передаёт кинетическую энергию внутреннему электрону вещества антикатода. Внутренний электрон атома, приняв энергию от внешнего электрона, уходит за пределы атома (рис. 8.4). Внутри атома начнутся переходы вышележащих электронов на освободившиеся энергетические уровни. При этом атом испуска­ет фотоны рентгеновского диапазона частот.

Рентгеновские характеристические спектры всех элементов совершенно идентичны между собой, потому что все атомы имеют одинаковую схему нижних энергетических уровней. Для каждого элемента они состоят из нескольких серий: K, L, M, N и т. д. Каждая серия состоит из нескольких линий: К_α, К_β, Кγ, L_α, L_β,…

Все серии имеют более тонкую структуру (рис. 8.5). Тонкая структура уровней разных серий состоит из дополнительных линий.

 Серия K_α состоит из линий: K_α1, K_α2.

 Серия L_α состоит из линий: L_αl, L_α2.

 

 

 

 

                 

 

Рис. 8.3.Характеристический рентгеновский спектр

 

 

Рис. 8.4.Возникновение рентгеновского характеристического спектра

 

Рис. 8.5. Тонкая структура линейчатого рентгеновского спектра

 

Тонкая структура рентгеновских спектров обусловлена переходами между энергетическими уровнями с изменением орбитального и магнитного квантовых чисел, для которых должны учитываться правила отбора.

Для частот рентгеновских спектров справедлив закон Г. Мозли: корень из частоты рентгеновской линии прямо пропорционален порядковому номеру элемента.

 

где R – постоянная Ридберга; σ – постоянная экранирования; n,m– номера энергетических уровней. Графическая интерпретация закона Мозли приведена на рис. 8.6.

Расшифровкой рентгеновских спектров занимается рентгеновский спектральный анализ. Рентгеновские спектры элементов значительно проще их оптических спектров. Рентгеновский спектр сложного по составу материала яв­ляется простой суммой спектров отдельных элементов.

Рис. 8.6.Графическая интерпретация закона Мозли