Тонка структура спектральних ліній

Завдання роботи:

дослідити розщеплення K_α-лінії молібдену та заліза.

Обладнання:

рентгенівська камера, набір випромінювальних ламп, набір дифракційних кристалів, ПК.

Програмне забезпечення: PHYWE measure.

Основні терміни та поняття

дифракція рентгенівських променів РЕНТГЕНІВСЬКІ ПРОМЕНІ – ВИПРОМІНЮВАННЯ ТА СПЕКТРИ Рентгенівське випромінювання Лінійчасті спектри СПЕКТРАЛЬНИЙ АНАЛІЗ – ВИПРОМІНЮВАННЯ ТА СПЕКТРИ СПЕКТРИ ВИПРОМІНЮВАННЯ. СПЕКТРИ ПОГЛИНАННЯ – ВИПРОМІНЮВАННЯ ТА СПЕКТРИ

Теоретична частина

Люмінесценція, або випромінювання атомів породжується електронними переходами з верхніх на нижні енергетичні рівні (оболонки). Рентгенівське випромінювання викликано переходами електронів на ті нижні оболонки, з яких попередньо було вибито електрон. За рентгеноспектральних досліджень мають справу з багатьма атомами однієї речовини, що бомбардуються багатьма електронами. Отже, під час випромінювання рентгенівської трубки відбувається безліч актів іонізації (вибивання електронів з атомів) та електронних переходів. Квантова механіка дає можливість визначити ймовірність кожного переходу з можливих.

Рис. 1. Енергетичні рівні молібдену та доступні електронні переходи

Дифракція рентгенівських променів описується рівнянням Вульфа-Брегга:

 ,

де d – міжплощинна відстань, θ – кут падіння променя на площину кристала, λ – довжина хвилі монохроматичного випромінювання, n – порядок дифракції (натуральне число).

Імовірність деякого переходу (стрілочки на діаграмі енергетичних рівнів) визначає те, наскільки часто цей перехід відбуватиметься при багатьох повтореннях досліду з іонізації одного атому. При одночасній іонізації багатьох атомів частота переходу визначає кількість тих фотонів світла, що виникають при цьому переході. Це, у свою чергу, визначає інтенсивність відповідного спектрального піку.

Однак, як видно з енергетичної діаграми молібдену, деякі переходи характеризуються близькими енергіями випромінюваних фотонів (стрілочки близькі за довжиною). Це свідчить про те, що на спектрі відповідні піки слабко розділені. Як відомо з теорії дифракції, на щілині або ґратці за малих порядків дифракції n такі лінії можуть здатися єдиною лінією. Тому дослідження мультиплетних (розщеплених) спектральних ліній зазвичай проводять за більших порядків дифракції.

Рис. 2. Характеристичний спектр Fe. Подвійний (дублетний) характер найвищого піку видно лише за 2-го порядку дифракції

Хід роботи

1. Проведіть вимірювання спектра характеристичного випромінювання молібдену, як описано в пп. 1–10 лабораторної роботи з теми “Рентгеноструктурний та рентгеноспектральний аналіз”, або відкрийте отриманий раніше результат. За спектром визначте довжини хвиль піків, користуючись формулою Вульфа-Брегга.

        Увага! Випромінювання, що не пройшло дифракцію на кристалі, надто інтенсивне для лічильника. Не встановлюйте малі кути повороту гоніометра надовго.

2. Отримайте спектр, змінивши характеристики на: часовий крок – 30 с, кутові межі – θ = 44^o÷46^o. Використайте монокристал LiF.
3. Проведіть вимірювання спектра характеристичного випромінювання заліза, як описано в пп. 1–10 лабораторної роботи з теми “Рентгеноструктурний та рентгеноспектральний аналіз”, або відкрийте отриманий раніше результат. За спектром визначте довжини хвиль піків, користуючись формулою Вульфа-Брегга.
4. Отримайте спектр, змінивши характеристики на: часовий крок – 30 с, кутові межі – θ = 72^o÷76^o. Використайте монокристал LiF.
5. Порівняйте отриману довжину хвилі ліній K_α1 та K_α2 заліза і молібдену з табличними значеннями.

Аналіз даних

.