Физика для всех. Книга 4. Фотоны и ядра

Перейдем теперь к разговору об острых пиках, накладывающихся на кривую сплошного спектра. В отношении этих лучей было доказано как раз обратное правило — обратное по отношению к закону сплошного спектра. Места нахождения пиков, т. е. их длины волн, однозначно определяются материалом анода. Поэтому это излучение носит название характеристического.

Его происхождение непредвзято объясняется квантовой моделью атома. Электронные лучи рентгеновской трубки способны проникнуть внутрь атома вещества анода и вышибить из него электроны, которые находятся на самых низких энергетических уровнях. Как только освобождаемся низкий уровень, на него переходит какой-либо из электронов, более отдаленный от центра атома. Происходит излучение энергии в соответствии с основным квантовым законом E_m — E_n

= h∙v. Энергетические уровни расположены по-разному у разных атомов. Поэтому естественно, что возникающие спектры будут характеристическими.

Поскольку линии характеристического спектра наиболее сильные, то их и используют для рентгеноструктурного анализа. Сплошной спектр лучше всего «отсеять», т. е. перед тем, как заставить луч падать на изучаемый кристалл, надо отразить его от кристалла-монохроматора.

Поскольку спектры различных элементов характеристичны, то разложение луча в спектр можно использовать для целей химического анализа. Такой анализ называется рентгеноспектральным. Есть целый ряд областей, например изучение редкоземельных элементов, где рентгеноспектральный анализ буквально незаменим. Интенсивности спектральных рентгеновских характеристических линий позволяют с большой точностью определить процентное содержание того или иного элемента в смеси.

Нам остается сказать несколько слов о спектрах гамма-лучей. В земных условиях мы имеем дело с гамма-лучами, которые возникают при радиоактивном распаде, о котором у нас речь впереди. Радиоактивный распад может сопровождаться, а может и не сопровождаться гамма-излучением. Но какого бы типа ни был радиоактивный распад, спектр гамма-излучения будет характеристическим.

Если рентгеновские характеристические лучи возникают тогда, когда атом «спускается» с верхнего энергетического этажа на нижний, то гамма-лучи появляются в результате аналогичного перехода атомного ядра.

Гамма-спектры радиоактивных превращений хорошо изучены. Существуют таблицы, в которых можно найти точные данные о длине волны гамма-лучей, возникающих при альфа- или бета-превращениях того или иного радиоактивного изотопа.

РЕНТГЕНОГРАФИЯ МАТЕРИАЛОВ

Мне несколько раз приходится повторять, что с терминологией в науке дело обстоит не вполне благополучно. Наука развивается столь быстро, что содержание, вкладываемое в то или иное слово, меняется на глазах у одного поколения. И в то же время изменение терминологии связано с ломкой привычного. Невозможно изъять из обращения старые книги. Так что ничего не остается делать, кроме того, как строго оговаривать смысл, который вкладываешь в термин.

В настоящее время, когда говорят о рентгеноструктурном анализе, имеют в виду исследование атомной структуры кристаллов. Объектом изучения является монокристалл вещества.

Но польза от изучения структуры с помощью рентгеновских лучей далеко не исчерпывается решением этой задачи. Характерные и богатые информацией картины получают и в том случае, если снимают рентгенограммы с любых материалов, а не только с одиночных кристаллов. В этих случаях пользуются обычно термином «рентгенография».

Если на пути монохроматического рентгеновского луча поставить кусочек металлической фольги, то на плоской фотопластинке возникает система концентрических окружностей. Рентгенограмма такого типа называется дебаеграммой. Каково ее происхождение?

Большинство твердых тел состоит из маленьких кристалликов, беспорядочно ориентированных друг по отношению к другу. Когда расплав какого-либо вещества начинает застывать, то кристаллизация начинается одновременно из большого числа точек. Каждый кристаллик растет, «как ему хочется», и рост продолжается до тех пор, пока кристаллики не встретятся.

В каждом из кристалликов присутствуют одни и те же системы атомных плоскостей. Ведь по своей структуре кристаллики тождественны. Остановим свое внимание на какой-либо одной из систем плоскостей с межплоскостным расстоянием d. Кристалликов огромное множество (обычно линейный размер кристаллика твердого тела по порядку величины равен одной десятитысячной доле сантиметра), среди них, разумеется, найдутся и такие, плоскости которых находятся к падающему лучу под углом θ, удовлетворяющим условию Брэгга-Вульфа. Каждый из таких кристалликов даст пятнышко на фотопластинке. Отражение будут давать все кристаллики, нормали к плоскостям которых образуют конус (рис. 3.5).

Раз так, то и отраженные лучи лягут на конус. Пересечение этого конуса с фотопластинкой даст окружность. Измеряя радиусы этих окружностей и зная расстояние от объекта до фотопластинки, мы сразу же найдем брэгговский угол θ и сумеем рассчитать по такой рентгенограмме все межплоскостные расстояния вещества.