Спектры атомов с двумя и более электронами на верхней подоболочке (Раздел 1.7. учебного пособия), страница 2

Состояния атомов, у которых в верхней подоболочке число электронов превышает половину максимального числа, могут быть определены по состояниям атомов, число электронов в верхней подоболочке которых равно количеству, недостающему до максимума, т.е. группы  и , и  имеют, соответственно, одинаковые основные термы. Возбужденные состояния этих атомов подробно рассмотрены в [3].

Рис. 6.  Схема энергетических уровней ртути. Каждому возбужденно-               му  уровню  соответствует  один электрон, находящийся в ос-               новном состоянии. (Обозначение уровней на схеме соответст-               вует состояниям другого электрона.)

1.8. Спектры рентгеновского излучения

Мы рассмотрели переходы с участием внешних электронов. Однако, в определенных условиях, например, при бомбардировке вещества быстрыми электронами из атома может быть выбит внутренний электрон. При этом энергетические затраты существенно возрастают. Так в натрии для удаления (ионизации атома) электрона необходима следующая энергия 3s - 5,15 эВ; 2р - 31 эВ; 2s - 63 эВ; 1s - 1041 эВ.

При отсутствии внутреннего электрона возможен переход одного из внешних электронов с излучением кванта в рентгеновском диапазоне спектра. Обозначение переходов в этом случае показано на рис. 10,11. На рис. 11 не показана разница энергий уровней с различным L.

Энергия электрона на внутренней оболочке может быть представлена в виде, аналогичном (46),

,                                        (47)

где  - параметр, учитывающий экранировку ядра внутренними электронами. Важно, что величина  зависит только от главного квантового числа n и не зависит от Z, что подтверждается экспериментом. Поэтому внутренние оболочки тяжелых  атомов структурно схожи и зависят только от Z, что принципиально отличает их от энергетических состояний атомов при возбуждении внешних электронов. Мы видели, что структуры спектров различных элементов при возбуждении внешних электронов отличаются существенно.

Для внутренних оболочек работает закон Мозли, который может быть записан в виде

                                                (48)

и выполняется для всех тяжелых элементов.

К особенностям взаимодействия фотонов с внутренними оболочками относится различие спектров поглощения и испускания.

В результате поглощения рентгеновского кванта атомом электрон не может перейти на ближайшее верхнее энергетическое состояние. Оно занято. Поэтому происходит ионизация атома. Возможен переход электрона в верхние связанные состояния, однако энергетическое различие этих процессов мало. Таким образом, спектр поглощения практически сплошной, образует полосу с резким длинноволновым краем, соответствующим началу процесса фотоионизации, т.е. вырывания электрона с соответствующей оболочки.

Спектр испускания в рентгеновской области линейчатый с правилами отбора  (см. рис. 11). Структура термов определяется из условия, что состояние термов замкнутой оболочки без одного электрона эквивалентны термам с одним электроном.

В К-оболочке имеем два электрона с квантовыми числами n = 1,  = 0, s = 1/2, j = 1/2 у каждого. Если один электрон убрать, то оставшаяся оболочка (один электрон) имеет L = 0, S = 1/2, J = 1/2, т.е. состояние  (один уровень энергии).

Рис. 10. Природа спектра рентгеновского излучения

Электронная конфигурация L - оболочки . В этой оболочке в р состоянии находятся два электрона с j = 1/2 и четыре электрона с j = 3/2. Действительно, полный момент всех электронов в подоболочке Р равен нулю. Полный момент j каждого электрона может быть сосчитан методом определения всех значений проекций . Величины проекций орбитального  и спинового моментов имеют значения  = +1,0,-1 и  = ±1/2 для каждого . Тогда, возможные значения  равны:

 = 3/2 = (1 + 1/2);

; ;

.

Максимальные значения проекции  Следовательно, максимальный полный момент равен j = 3/2  и его должны иметь четыре электрона, отличаясь проекциями (m_s = ±3/2, ±1/2). Оставшиеся два электрона p подоболочки имеют проекции  = ±1/2, которые соответствуют полному моменту j = 1/2.

Если вырывается один электрон из 2s-состояния, то оставшаяся оболочка, аналогично К, имеет -терм. Если вырывается электрон с j = 1/2, то возникает , если j = 3/2, то  терм. Следовательно, L-оболочка имеет три энергетических уровня, которые фиксируются в спектрах (рис. 11).

В целом, рентгеновские спектры находятся в хорошем соответствии с рассмотренными выше представлениями об оболочечной структуре атомов.

В заключение отметим, что атом, у которого отсутствует внутренний электрон, может также потерять энергию возбуждения в результате эффекта Оже, не испуская рентгеновского фотона, а передавая ее другому электрону из внешних оболочек. Это приводит к дополнительной ионизации атома, а всю энергию уносит вылетевший электрон.