Dərslik respublikanın universitetlərinin fizika fakültələrinin tələbələri üçün "Atom fizikası"
Ё122. Rentgen spektrləri üçün enerji
Download 18.1 Mb. Pdf ko'rish
|
- Bu sahifa navigatsiya:
- Шякил 122.1.
- Шякил 122.2.
- Cədvəl 122.1
- Шякил 122.4.
|
Ё122. Rentgen spektrləri üçün enerji
səviyyələrinin sxemi Rentgen şüalarının təbiəti və xassələri haqqında III fəsildə müfəssəl məlumat verilmişdir. Bu paraqrafda isə rentgen spektrlərinin yaranması mexanizmi şərh olunur. Rentgen spektrləri atomun daxili təbəqələrindəki elektronların atomdan qoparılması sayəsində yaranır. Məsələ burasındadır ki, ultrabənövşəyi və görünən oblastda müşahidə olunan optik spektrlərin yaranması mexanizmindən fərqli olaraq, atomun daxili elektron təbəqələri tam dolduğu üçün, bu təbəqələrin birində boş yer yaranması və həmin təbəqəyə digər təbəqələrdən keçid baş verə bilmir. Udulma rentgen spektri elektronun atomdakı daxili təbəqədən qoparaq atomu tərk etməsinə, yəni daxili təbəqədəki diskret enerji səviyyəsindən ionlaşma sərhəddinə birləşən kəsilməz enerji səviyyələrinə keçməsinə uyğun gəlir. Beləliklə, fotonu udaraq atom, 1s 2
1/2 əsas halında yerləşən hidrogenəbənzər atomun 13,6 eV-dan böyük enerjiyə malik olan fotonu udmaqla ionlaşmasına oxşar olaraq ionlaşır. Lakin burada fərq ondan ibarətdir ki, daxili təbəqədə yerləşən və daha möhkəm
809
rabitədə olan elektronu qoparmaq üçün udulan fotonun enerjisi çox böyük olur. Ağır elementlərin atomlarından 1s təbəqədəki elektronun qoparılması (fotoeffekt) sayəsində ionlaşma baş verməsi üçün 10 5 eV tərtibində enerji tələb olunur. Məsələn, uran atomu üçün bu enerji, yəni 1s təbəqədən ionlaşma sərhəddi 1,164 ⋅10
5 eV-dur. Rentgen spektrləri optik spektrlərdən bir sıra xüsusiyyətlərinə görə kəskin fərqlənirlər. Belə ki, rentgen spektrlərinin xarakterik xüsusiyyəti onların sadə və tam eyni cür olmasından ibarətdir. Optik spektrlər isə kifayət qədər mürəkkəbdir və dövri sistemdə bir qrupdan digərinə keçdikdə əsaslı surətdə dəyişirlər. Bütün elementlərin rentgen spektrləri bir-birinə nəzərən oxşar şəkildə yerləşmiş və eyni bir incə quruluşa malik olan az sayda xətlərdən ibarətdir (şəkil 31.2). Rentgen şüalarının tezliyi (kvantın enerjisi) optik şüaların tezliyindən (fotonun enerjisindən) min dəfələrlə böyükdür. Atomun sıra nömrəsi artdıqca rentgen spektri öz quruluşunu dəyişmədən qısadalğalı oblasta doğru sürüşür. Bu sürüşmə Mozli qanunu (Ё32) ilə ifadə olunan sadə qayda üzrə baş verir: atomun rentgen spektrində xəttin tezliyinin kvadrat kökü bu atomun z sıra nömrəsi ilə düz mütənasibdir. Rentgen spektrləri atomların daxili təbəqələrində baş verən keçidlər nəticəsində yarandığından və bu spektrlər sadə olub, atomun sıra nömrəsi dəyişdikcə periodik deyil, monoton dəyişdiyindən belə nəticə çıxarmaq olar ki, bütün elementlərin atomlarının daxili elektron təbəqələrinin quruluşu eynidir və bu quruluşda heç bir periodiklik yoxdur. Rentgen spektrlərinin mənşəyini izah etmək üçün mühüm əhəmiyyət kəsb edən bir xüsusiyyət də ondan ibarətdir ki, rentgen spektrlərində optik spektrlər üçün xarakterik olan xətlərin dönərliyi müşahidə olunmur. Məsələn, natriumun buxarı içərisindən bütöv spektrə malik işıq (ağ işıq) buraxdıqda, natriumun sarı D–xəttinin yerində qara xətt alınır, yəni natrium üçün şüalanma və udulma optik spektrləri dönərlik xassəsinə malikdir. Lakin hər hansı bir kimyəvi elementin müəyyən təbəqəsindən bütöv spektrə malik olan tormozlanma rentgen şüalanması keçirsək, udulma spektrində bu element üçün xarakterik olan qara xətlər alınmır, lakin uzun dalğalı tərəfdən kəskin sərhəddi olan enli və kəsilməz udulma zolaqları alınır. Bu deyilənləri nisbətən sadə olan K–seriyası misalında əyani şəkildə göstərmək olar. 122.1 şəklində aşağıda K– seriyasına uyğun şüalanmanın xətti spektri, yuxarıda isə həmin elementdə udulmanın gedişini təsvir edən qrafik verilmişdir. Bu şəkildən göründüyü kimi, dalğa uzunluğu kiçildikcə udulma azalır, lakin K γ xəttinin dalğa uzunluğuna yaxın olan qiymətdə udulma kəskin artır və sonra dalğa uzunluğu kiçildikcə yenə də udulma azalır. Yaranmış enli (yayılmış) udulma zolağının sərhəddi əslində K γ xəttinə nisbətən qısa dalğa oblastına doğru bir qədər sürüşmüş olur və K seriyasının sərhəddi ilə dəqiq üst-üstə düşür. Шякил 122.1. Rentgen udma spektrinin bütöv (kəsilməz) olması göstərir ki, udulma zamanı kombinasiya olunan iki haldan biri kvantlanmamışdır. Udulma zolağı uzun dalğalı tərəfdən kəskin sərhəddə malik olduğundan və bu sərhəd seriyanın sərhəddi ilə üst-üstə düşdüyündən, biz deyə bilərik ki, zolağın kənarına uyğun gələn dalğa uzunluğunun udulması zamanı baş verən proses elektronun atomla əlaqəsinin qırılmasından (elektronun atomdan qopmasından), yəni atomun ionlaşmasından ibarətdir. Dalğa uzunluğunun böyük
810 qiymətlərində kvantın ħ ω enerjisi elektronu atomdan qoparmaq üçün kifayət etmir, dalğa uzunluğunun kiçik qiymətlərində isə kvantın enerjisi elektronu həm atomdan qoparmağa, həm də bu elektrona kinetik enerji verməyə bəs edir. Rentgen şüaları atomun elektron örtüyünün dərin qatlarında yarandığından, burada əlbəttə ki, daxili elektronlardan birinin qopması nəzərdə tutulur. Rentgen spektrlərinin yaranması mənzərəsini Kossel aşağıdakı kimi təsvir etmişdir. Şüalanma spektrinin yaranması üçün atom əvvəlcə həyəcanlanmış hala keçirilməlidir. Rentgen spektrlərinin alınması üçün bu həyəcanlanma atomun daxili təbəqələrindəki elektronlardan birinin atomdan qoparılmasından ibarətdir ki, bu da rentgen udma spektrinin xarakteri ilə təsdiq olunur. Əgər xaricdən düşən katod şüalarındakı elektronun və ya rentgen şüasının təsiri nəticəsində atomun ən dərin layında (K–layı və ya 1s 2
yeri xarici laydakı (L,M,N) elektron tərəfindən tutula bilər. L →K, M→K, N→K keçidləri nəticəsində şüalanan rentgen xətləri, uyğun olaraq, K α , K β , K γ kimi işarə edilir. Rentgen şüalarının K–seriyasının yaranması üçün təsvir edilən bu mənzərə Ё32-də şərh olunan Mozli qanununa tam uyğun gəlir. Məsələn, K α xəttinin tezliyi (32.1) düsturu ilə
( ) ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − − = 2 2 2 2 1 1 1 1 z R K α ω kimi təyin olunur. Bu düsturdan görünür ki, K α xəttinin tezliyi (dalğa ədədi) iki termin kombinasiyasının nəticəsidir; bu termlərdən biri baş kvant ədədinin n=1 qiymətinə (K termi), digəri isə n=2 qiymətinə (L termi) uyğun gəlir. Düsturdan göründüyü kimi, bu termlər hidrogenəbənzər atomların termlərinə çox yaxındır. Fərq yalnız ondan ibarətdir ki, termin ifadəsinə z sıra nömrəsinin əvəzinə z-1 daxildir. K seriya üçün bu vəziyyət ionlaşmadan sonra K layında qalan bir elektron tərəfindən nüvənin z yükünün ekranlaşması kimi izah oluna bilər. Rentgen spektrlərindəki L,M,N,… seriyalarının da yaranması, analoji yolla izah oluna bilər. Lakin bu seriyalara uyğun olan rentgen udma spektrləri K seriya üçün xarakterik olmayan bir xüsusiyyətə malikdir. Belə ki, bu seriyalar üçün kəsilməz udma zolağının sərhəddi incə quruluşa malikdir: L–seriya üçün bu sərhəd üçqat, M–seriya üçün beşqat, N–seriya üçün isə yeddiqatdır (şəkil 122.2). Bu mühüm xüsusiyyətin səbəbini bir qədər sonra izah edəcəyik. Hələlik isə biz nə udma zolağının sərhəddinin quruluşunu və nə də ki, rentgen spektrlərinin digər daha incə xüsusiyyətlərini nəzərə almadan yalnız onu qeyd etməklə kifayətlənirik ki, L–seriyanın yaranması qabaqcadan ionlaşma nəticəsində L–layında boş qalan yerə M,N,O,… laylarından elektronun keçməsi, M– seriyanın yaranması isə M–layında boş olan yerə N,O,… laylarından elektronun keçməsi ilə izah olunur və s. µ 0 λ K L M µ 0 λ K L M Шякил 122.2.
811 Yuxarıda deyilənlərə əsasən xətti rentgen spektrini verən enerji səviyyələrinin sxemini 122.3 şəklindəki kimi göstərmək olar. K–layında olan elektron atomdan qopduqda bu atom əsas (normal) haldan həyəcanlanmış hala keçir. 122.3 şəklində bu həyəcanlanmış hal K hərfi ilə işarə edilmişdir. Normal hala uyğun enerji səviyyəsi ilə həyəcanlanmış K səviyyəsi arasındakı məsafə aydındır ki, K terminə uyğun olan enerjiyə və ya K–layın ionlaşma enerjisinə bərabərdir. Bu enerjiləri adətən dalğa ədədi şkalasında göstərirlər (1
-1 =1,23977 ⋅10 -4 eV və 1 eV=8066 sm -1 ). K səviyyəsindən L,M,N səviyyələrinə keçidlər zamanı şüalanan xətlər, artıq deyildiyi kimi, uyğun olaraq, K α , K β ,
γ işarə edilir. Ən ehtimallı K →L keçidinə K seriyasında ən böyük intensivliyə malik olan K α xətti uyğun gəlir. Шякил Normal halda L layının ionlaşması nəticəsində yaranan həyəcanlanmış səviyyə L kimi işarə olunur və bu səviyyədən M,N,… laylarına L →M, L→N,… keçidləri nəticəsində L seriyasının xətləri alınır və s. Normal hala uyğun olan enerji səviyyəsindən yuxarıda yerləşən həyəcanlanmış K,L,M,… səviyyələri hər bir K,L,M,… udma zolağının sərhəddinin vəziyyətini təyin edir.
812 Burada, qeyd etdiyimiz kimi, udma zolağının sərhəddinin quruluşu hələlik nəzərə alınmır. Rentgen spektrini verən enerji səviyyələri sxemini (məsələn, 122.3 şəklindəki sxemi) optik spektrlərin alınmasına uyğun gələn enerji səviyyələri sxemi ilə müqayisə edərək asanlıqla görmək olar ki, bu iki sxem arasında mühüm fərq vardır. Belə ki, optik enerji səviyyələri sxemində baş kvant ədədinin ən kiçik n=1 qiymətinə uyğun enerji səviyyəsi ən aşağıda yerləşdiyi halda, rentgen səviyyələrinin sxemində n=1 qiymətinə uyğun olan K səviyyəsi digər səviyyələrə nisbətən ən yuxarıda yerləşir. Yəni rentgen səviyyələrinin sxemi bütövlükdə elə bil ki, optik enerji səviyyələri sxeminin tərsidir. Bunun səbəbi isə optik və rentgen spektrlərinin yaranması mexanizmindəki fərqdir. Optik spektrlər xarici təbəqədə yerləşən və atom ilə ən zəif əlaqədə olan elektronun kiçik kvant ədədinə malik haldan daha böyük kvant ədədinə və kiçik rabitə enerjisinə malik olan hala keçməsi (həyəcanlanması) nəticəsində baş verir. Aydındır ki, həyəcanlanmış hala uyğun olan kvant ədədi böyük və bu həyəcanlanmış halda rabitə enerjisi kiçik olduqca, atomu həmin hala keçirmək üçün lazım olan həyəcanlaşma enerjisi də böyük olacaqdır. Rentgen spektrlərinin alınması zamanı isə atomun həyəcanlaşması atomun normal halında bu və ya digər layda yerləşən elektronun atomdan qoparılmasından ibarətdir. Ona görə də bu halda elektron atom ilə daha güclü rabitədə olduqca, yəni elektron nüvəyə yaxın olan layda, başqa sözlə baş kvant ədədinin ən kiçik qiymətinə uyğun olan layda yerləşdikcə, həyəcanlaşma enerjisi də böyük olur. Optik və rentgen səviyyələri arasındakı münasibəti əyani şəkildə başqa cür də təsvir etmək olar. Bunun üçün atomla ən zəif əlaqəli xarici elektronun (valent elektronunun) atomdan qoparılması üçün lazım olan ionlaşma enerjisini sıfra bərabər qəbul edək (122.3 şəklində OO səviyyəsi). Onda daxili elektronların qoparılması üçün lazım olan ionlaşma enerjiləri müsbət işarəli olub, laya uyğun baş kvant ədədi kiçildikcə artacaqdır. Başqa sözlə, K–elektron (n=1) ən böyük müsbət enerjiyə, L–elektron (n=2) nisbətən kiçik müsbət enerjiyə və s. malik olacaqdır, yəni baş kvant ədədinin böyük qiymətinə kiçik enerji uyğun gəlir. Şüalanma rentgen xətti spektrləri bu müsbət enerjili səviyyələr arasında keçidlər nəticəsində alınır. Əksinə, optik enerji səviyyələri bizim seçdiyimiz sıfrıncı səviyyədən aşağıda yerləşirlər və xarici elektronun baş kvant ədədi böyük olduqca, həmin səviyyələrin enerjisi artır. Beləliklə, optik enerji səviyyələri sistemi elə bil ki, rentgen səviyyələri sisteminin güzgü əksidir. Spektroskopiyada adətən optik enerji səviyyələrinin yerləşməsi normal hesab olunur. Ona görə də rentgen səviyyələri sistemi tərs (və ya çevrilmiş) adlanır. Yuxarıda qeyd etdik ki, rentgen udulma zolaqlarının sərhəddi incə quruluşa malikdir və bunun səbəbini izah etmədik. Belə sual meydana çıxır ki, nə üçün K–udulma zolağının sərhəddi bəsit, L–udulma zolağının sərhəddi üçqat, M–udulma zolağının sərhəddi beşqat, N–udulma zolağının sərhəddi yeddiqatdır? Bu suala asanlıqla aşağıdakı kimi cavab vermək olar. K–zolağın sərhəddi elektronun n=1 olan laydan qoparılmasına uyğun gəlir. Bu laydakı iki elektron s–elektronlardır, yəni onlar üçün l=0 olur və deməli, j tam kvant ədədi yalnız bir dənə j=1/2 qiymətini alır ki, bu da bir dənə enerji səviyyəsinə uyğun gəlir. L–laydakı 8 elektron üçün baş kvant ədədi n=2 olduğundan l=0,1 kimi iki qiymət ala bilər. l=0 olduqda j=1/2, l=1 olduqda isə j=1/2,3/2 qiymətlərini alır. Deməli, bu halda 3 dənə alt səviyyə mövcuddur ki, bu da L–udulma sərhəddinin incə quruluş tərtibinə uyğun gəlir. Bu mülahizələrə uyğun olaraq 122.1 cədvəlində udulma zolaqlarının quruluş tərtibi göstərilmişdir.
813 n 1 2 3 4 l 0 0 1 1 0 1 1
2 2 0 1 1 2 2 3 3
j
2 1
2 1
2 1 2 3 2 1 2 1 2 3
2 3 2 5
2 1
2 1 2 3 2 3 2 5
2 5 2 7
K L 3
2
1
5
4
3
2
1
7
6
5
4
3
2
1
Rentgen enerji səviyyələrinin bu təsnifatına uyğun olaraq rentgen spektrinin alınmasını izah edən keçidlərin sxemini qurmaq olar. 122.4 şəklində volfram (z=74) üçün belə sxem göstərilmişdir. Bu sxemə baxanda dərhal görünür ki, o, qələvi metallar üçün enerji səviyyələrinin sxeminə (bax: şəkil 100.1) tam oxşayır, lakin tərsinə çevrilmişdir. Belə ki, 122.4 şəklini tərsinə çevirsək, oxşarlıq dərhal nəzərə çarpır: bir-birinin üstündə yerləşmiş K,L 3 ,M 5 ,N 7 səviyyələri 2 S 1/2
termlərinə, L 2 ,M 4 ,N 6 səviyyələri 2 P 3/2
termlərinə, M 2 ,N 4 səviyyələri 2
3/2
termlərinə uyğun gəlir və s. Qeyd edək ki, burada seçmə qaydaları da qələvi metallar üçün olduğu kimi qalır və kimyəvi elementlərin rentgen spektrləri qələvi metalların spektrlərinə tamamilə oxşardır. Enerji səviyyələrinin yuxarıda verilmiş təsnifatını 109.4 cədvəli ilə müqayisə etsək görərik ki, atomun kombinasiyaları rentgen spektri verən halları atomdan qopan elektronun halları ilə üst-üstə düşür. Bu isə yalnız o zaman ola bilər ki, elektronun qoparıldığı təbəqənin tam momenti ionlaşmadan qabaq sıfra bərabər olsun, yəni elektronlar qapalı təbəqələrdən qoparılırlar. Bu isə, dövri sistemin Ё109-da şərh olunmuş nəzəri izahına tam uyğun gəlir. Rentgen termləri ilə qələvi metalların termləri arasındakı tam oxşarlığa uyğun olaraq rentgen spektrlərində xətlər dubletdirlər. Belə dubletliyə ən sadə misal olaraq bir-birinə yaxın yerləşmiş iki xətdən ibarət olan K α 1, α 2 xəttini göstərmək olar. Bu dubletin yaranması 122.4 şəklindən aydın görünür. Belə ki, bu dublet 2
1/2 –
S 1/2
, 2
3/2 –
S 1/2
keçidləri sayəsində, yəni natriumun spektrində D–dubletinin yaranmasına oxşar olaraq alınır. Rentgen spektroskopiyasında iki növ dubletin olduğu qəbul edilmişdir: 1) irrequlyar dubletlər və ya ekranlaşma dubletləri. Bunlar ∆l=1, ∆j=0 keçidləri zamanı yaranır. 2) requlyar və ya relyativistik dubletlər. Rentgen şüaları vasitəsilə atomdan qoparılan fotoelektornları öyrənərək rentgen enerji səviyyələrini təyin etmək olar. Bu məqsədlə fotoeffekt üçün Eynşteyn tənliyini (Ё10) aşağıdakı kimi yazaq:
ν =eu+A 1 +A 2
(122.1) Burada A 1 –elektronun atomla rabitəsini qırmaq üçün lazım olan iş, A 2 –metalların səthindən fotoeffekt zamanı mühüm rol oynayan çıxış işidir. Rentgen şüası fotonunun h ν
enerjisi ~10 4 –10 5 eV, A 2 çıxış işi isə bir neçə eV tərtibində olduğundan A 2 <<h ν şərti ödənir. Əksinə, ağır elementlərin daxili təbəqələrindəki elektronların atomla A 1 rabitə enerjisi h ν ilə eyni tərtiblidir. Bundan başqa, fotoeffekt (fotoionlaşma) zamanı bir növ rezonans müşahidə olunur: rabitə enerjisi düşən fotonun enerjisinə yaxın olan Шякил 122.4.
814 elektronların qopması ehtimalı daha böyük olur. Ona görə də rentgen şüalarının təsiri zamanı müşahidə olunan elektronlar atomun daxili təbəqələrindən qopmuş elektronlar olur. Məhz buna görə də düşən fotonun h ν enerjisini bilərək və təcrübədə mümkün olan dəqiqliklə fotoelektronun eu kinetik enerjisini təyin edərək (122.1) Eynşteyn tənliyinə əsasən daxili təbəqələrdəki elektronların A 1 rabitə enerjisini, yəni atomun rentgen enerji səviyyələrini tapmaq olar: A 1 =h ν -eu.
h ν və A 1 enerjiləri atomun daxilindəki rabitə enerjisindən, xüsusilə Van-der-Vaals qarşılıqlı təsirin enerjisindən çox böyük olduğuna görə, rentgen şüaları ilə fotoeffekt, birinci yaxınlaşmada, həm də rentgen şüalarının sərbəst atoma, qaz halında olan kimyəvi birləşməyə və ya bərk cismə təsir etməsindən asılı olmur. Kimyəvi rabitənin atomun daxili enerji səviyyələrinə təsiri kiçik olduğundan, rentgen şüalarının təsiri ilə fotoeffekt elə bil ki, sərbəst atomlarda baş verir. Deməli, A 1 enerjisini tapmaq üçün fotoelektronun E k =eu kinetik enerjisini bilmək tələb olunur. Rentgen fotoelektronlarının kinetik enerjisini təyin etmək üçün maqnit spektroqrafından və digər üsullardan istifadə olunur. Rentgen fotoelektronlarının spektrlərindən hal-hazırda spektral analiz üçün müvəffəqiyyətlə istifadə edilir. Rentgen şüalarının təsiri ilə baş verən adi fotoionlaşma prosesində udulan rentgen kvantı atomdan elektronu bilavasitə qoparır. Lakin rentgen kvantını udaraq həyəcanlanmış atomun elektron örtüyündə enerjinin yenidən paylanması ilə əlaqədar olan və həm də rentgen şüalarının udulması ilə müşayiət olunan proses də baş verə bilər. Bu hadisə Oje effekti və ya həyəcanlanmış atomun avtoionlaşması adlanır. Adi fotoionlaşmadan fərqli olaraq Oje effekti iki mərhələdə baş verir. Birinci mərhələdə rentgen kvantının udulması sayəsində atomun həyəcanlanması, yəni K–laydan elektronun qoparılması, başqa sözlə, K–layda deşiyin (qopmuş elektronun boş qalan yerinin) yaranması baş verir. İkinci mərhələdə isə L–laydan bir elektronun sıçrayaraq bu deşiyi tutması baş verir. Bu zaman E
-E L enerji fərqi ya yuxarıda qeyd olunduğu kimi, xarakteristik rentgen şüalanması şəklində ayrılır, ya da ki, atomun yuxarıda yerləşən elektron təbəqələrindən bir elektronun qopmasına səbəb olur. İkinci hadisə məhz Oje effekti adlanır və bu zaman qopan elektrona isə Oje elektronu leyilir. Beləliklə, L–laydakı deşik öz yerində qalır, lakin yuxarıda yerləşən layların birində də bir deşik yaranır. Başqa sözlə, atom ikiqat ionlaşmış olur. Ağır təsirsiz qaz atomlarından (məsələn, kriptondan) rentgen şüaları vasitəsilə qoparılmış fotoelektronların Vilson kamerasında izlərinin fotoşəkilini çəkərək Oje müşahidə etmişdir ki, bəzi hallarda iki elektronun izi eyni bir nöqtədən başlayır. Bu elektronlardan biri K–laydan adi fotoionlaşma nəticəsində, digəri isə həyəcanlanmış atomun enerjisinin daxili yenidən paylanması, yəni Oje effekti sayəsində alınır. Oje elektronları həyəcanlanmış atomun enerjisinin xeyli hissəsini özləri ilə aparırlar. Oje effekti fotonun şüalanması qadağan olunmuş keçidlərdə (məsələn, O–O keçidlərdə) xüsusilə güclü surətdə təzahür edir.
815 |
