54.Ренген-е спектры поглощ-я атомов. Эфф-т Оже. Обратимся теперь к рентгеновским спектрам поглощения. Как видно из рисунка 19.4, они состоят из нескольких полос с резким длинноволновым краем.

Как видим, рентгеновские спектры поглощения и спектры испускания не обладают подобием. В результате поглощения рентгеновского кванта атомом проиcходит вырывание электрона из внутренних оболочек – фотоионизация. Каждая из полос поглощения соответствует вырыванию электрона из соответствующей оболочки атома:

-полоса – вырыванию электрона из -оболочки, -полоса – из -оболочки и т.д. Резкий длинноволновый край каждой полосы соответствует началу фотоионизации, то есть вырыванию электрона из соответствующей оболочки без сообщения ему дополнительной кинетической энергии (сравните с фотоэффектом и работой выхода). Рентгеновские спектры поглощения тяжелых элементов (как и рентгеновские спектры испускания) аналогичны друг другу и подтверждают одинаковость строения внутренних оболочек тяжелых элементов.

Особенность поглощения рентгеновских лучей состоит в том, что оно является чисто атомным свойством. Молекулярный коэффициент поглощения аддитивно складывается из атомных коэффициентов поглощения элементов, входящих в состав молекулы. Другая его особенность проявляется в характере зависимости коэффициента поглощения от длины волны. Приближенно эта зависимость может быть выражена эмпирически установленным соотношением

(19.16)

где - порядковый номер элемента, С – постоянная величина, зависящая от плотности вещества и скачкообразно меняющаяся при переходе через так называемый край поглощения (рисунок 19.5).Особенности в ходе спектральной зависимости коэффициента поглощения имеют простое физическое объяснение. Пусть длина волны возбуждающего рентгеновского излучения настолько мала, что возбуждаются все рентгеновские уровни, включая и -уровень. С увеличением длины волны энергия рентгеновских квантов уменьшается и, начиная с некоторого значения , ее становится недостаточно для возбуждения -уровня. Это проявляется резким уменьшением поглощения, – появляется край поглощения. При дальнейшем росте перестают возбуждаться -, -, -уровни (рисунок 19.3), что ведет к появлению новых краев поглощения и т.д.

Отмеченные закономерности поглощения рентгеновских лучей обусловили их применение для аналитических целей в различных областях науки и техники.

В результате поглощения рентгеновского излучения атомными системами может происходить их ионизация. Электрон, находящийся на внутренней (остовной) орбитали атомной системы, поглощает квант возбуждающего рентгеновского излучения. Энергия поглощенного кванта расходуется им на работу по отрыву от атома и приобретение некоторой кинетической энергии. Кинетическая энергия электрона, покинувшего вещество, зависит от энергии кванта возбуждающего рентгеновского излучения и энергии ионизации атомной системы с соответствующего уровня. Закон сохранения для элементарного акта фотоионизации электрона приближенно можно записать следующим образом:

(19.17)

Так как в реальности возбуждающее излучение взаимодействует с множеством идентичных частиц вещества, электроны могут быть выбиты с любого энергетического уровня, для которого . Пучок испущенных электронов в анализаторе рентгеноэлектронного спектрометра разделяется по величине их кинетической энергии. Детектором спектрометра регистрируется сигнал I_отн, величина которого пропорциональна количеству фотоэлектронов с определенной кинетической энергией. Таким образом, рентгеноэлектронный спектр графически представляется в координатах «относительная интенсивность электронного пучка I_отн –кинетическая энергия фотоэлектронов T». На рисунке 19.6 схематически показан процесс формирования фрагмента рентгеноэлектронного спектра, обусловленного ионизацией трех модельных остовных орбиталей атомной системы.

С поглощением рентгеновских лучей может быть связано перераспределение энергии внутри возбужденного атома. Этот процесс протекает в две стадии. Сначала происходит поглощение рентгеновского кванта, сопровождающееся возбуждением атома: освобождением электрона из -слоя с образованием в нем дырки. На втором этапе происходит заполнение вакансии электроном, осуществляющим переход из -слоя. Избыток энергии выделяется в виде кванта характеристического излучения или приводит к отрыву от атома одного электрона (Оже-электрона) из вышележащих оболочек атома. Таким образом, дырка в -слое сохраняется, но дополнительно возникает дырка в одном из вышележащих слоев, то есть атом становится дважды ионизированным. Описанное явление называется эффектом Оже или автоионизацией возбужденного атома. В эксперименте этот эффект наблюдается с помощью камеры Вильсона, в которой один след из двух начавшихся в одной точке соответствует обычной фотоионизации в -слое, а другой обусловлен эффектом Оже.

Оже-электроны всегда уносят значительную часть энергии возбужденного атома. Особенно интенсивно эффект Оже проявляется в тех случаях, когда переходы с излучением фотонов запрещены (например, в переходах, для которых ).

57.Время жизни возбуж. сост-ий. Эфф-т Доплера. Ударное ушир-е. Сущность допплеровского уширения заключается в зависимости частоты поглощаемого или испускаемого частицей излучения от скорости их поступательного движения. Если частица движется со скоростью под углом к направлению распространения излучения, то доплеровское изменение частоты определяется следующим образом:

(20.26)

где v₀ – частота излучения неподвижного атома (молекулы).

Движение частиц имеет хаотический характер, и при тепловом равновесии в системе их распределение по скоростям определяется законом Максвелла – Больцмана. С учетом этого закона получено следующее выражение для относительного распределения интенсивности в пределах спектральной полосы:

(20.27)

где . (20.28)

В формуле (20.28) m – масса частицы, k – постоянная Больцмана, Т – температура, выраженная в единицах абсолютной шкалы температур.

Воспользовавшись формулами (20.27) и (20.28) можно получить для полуширины допплеровского контура следующее выражение:

(20.29)

Как показано в результате численных оценок, при обычных условиях ширина допплеровского контура на несколько порядков превосходит естественную ширину спектральной линии.

Ударное уширение. Продолжительность временного интервала, в течение которого возбужденный атом (молекула) излучает энергию, меньше естественного времени жизни вследствие его (её) взаимодействия с другими атомами (молекулами). Сущность ударного уширения состоит в том, что частица может осуществлять квантовый переход с -го энергетического уровня на нижележащие энергетические уровни не только испуская спонтанное излучение, но и результате соударения с другой частицей. Обозначим символами вероятность безызлучательного квантового перехода частицы, обусловленного соударениями. Тогда, учитывая формулу (20.21), ширину -го уровня энергии, можно представить следующим образом:

(20.30)

откуда для ширины спектральной линии получим:

(20.31)

Рассматриваемое явление качественно аналогично интерпретируют и в классической теории. Наиболее простое выражение для контура спектральной линии, обусловленного столкновениями, имеет вид:

(20.32)

Видим, что формула (20.32) описывает лорентцовский контур спектральной линии, имеющий место при естественном уширении (20.23), с той лишь разницей, что постоянная затухания здесь имеет иной смысл. В рамках газокинетических представлений применительно к столкновениям одинаковых частиц постоянная затухания определяется по формуле

(20.33)

где – среднее время между столкновениями (среднее время свободного пробега), N – число молекул в единице объема, – средняя скорость, – эффективное сечение соударений.

В результате числовых расчетов показано, что при обычных условиях полуширина ударного контура также превосходит естественную полуширину спектральной линии на несколько порядков.

Реальный контур индивидуальных спектральных линий частиц вещества, находящегося в газообразном состоянии, формируется в результате наложения доплеровского и ударного контуров. В частных ситуациях может оказаться преобладающей одна из этих причин уширения. Так, например, при низких давлениях и высоких температурах форма спектральных линий легких частиц является практически допплеровской, а при высоких давлениях основное значение, как правило, имеет ударное уширение. В зависимости от типа уширения реальный контур спектральной линии получается симметричным (так называемый дисперсионный контур, характерный для радиационного уширения) или асимметричным.

1

2 Бозоны подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна.

3 Фермионы подчиняются статистике Ферми-Дирака.

4