24-8 Röntgenové lúče
24-1 Kvantové čísla; 24-2 Elektrónové vrstvy a periodická
sústava prvkov; 24-3 Periodická sústava prvkov; 24-4 Oxidačné číslo a
chemické väzby; 24-5 Spektrá mnohoelektrónových atómov; 24-6 Lasery;
24-7 Spojité spektrá; 24-8 Röntgenové lúče;
24-8 Röntgenové lúče
Podobne, ako jediný elektrón vodíkového atóm má trajektórie vzdialenejšie od jadra atómu, aj vonkajšie elektróny mnohoelektrónových atómov ich majú – ich energia je vyššia. Na tieto trajektórie sa dostanú pôsobením zrážok (pri tepelnom pohybe v plyne), pôsobením elektrického poľa, alebo pohltením fotónu s vhodnou energiou. Pri spätnom zoskoku (priamom, či viacerými medziskokmi) tieto elektróny vyžarujú na frekvenciách charakteristických pre daný prvok. Obdobne, ako v prípade atómu vodíka, tieto fotóny svojimi frekvenciami spadajú do viditeľnej, infračervenej alebo ultrafialovej oblasti elektromagnetického žiarenia.
Röntgenové žiarenie pochádza tiež z preskoku elektrónov z jednej energetickej hladiny na druhú, v tomto prípade je však energia vyžiarených fotónov výrazne vyššia, než energie spájané prechodmi vonkajších elektrónov, tomu zodpovedá aj vysoká frekvencia röntgenových lúčov.
Röntgenová trubica sa v princípe podobá na katódovú trubicu; z katódy sa uvoľnia elektróny, a vo vákuu trubice ich urýchli niekoľko tisíc voltové napätie, než dopadnú na kovovú anódu. Tu potom môžu prebehnúť dva procesy, ktorých výsledkom je röntgenové žiarenie.
Prvý proces je, keď elektrón dopadne na kovovú anódu, a zabrzdí sa. Už z Maxwellových prác vieme, že každá urýchlená (či brzdená) častica s elektrickým nábojom vyžaruje elektromagnetické vlny, a to platí aj pre elektrón. (Teraz pre elektróny neplatí Bohrom objavený zákaz vyžarovania, lebo sa nepohybujú viazené v atóme.) Žiarenie voľných elektrónov, ktoré pri dopade na kovovú anódu sú zabrzdené, nie je kvantované tak ako v atóme, a vyžiarené fotóny môžu mať ľubovoľnú frekvenciu, až po určitú hraničnú hodnotu. Táto hranica je daná zákonom zachovania energie: zabrzdený elektrón nemôže vyžiariť fotón, ktorého energia by bola väčšia, ako kinetická energia elektrónu. Zoberme ako príklad röntgenovú trubicu, v ktorej je urýchľovacie napätie 20000 V. Energia každého elektrónu dopadajúceho na kovovú anódu je E=Ve=(20 kV)(1,60×10−19 C)=3,2×10−15 J. Z Planckovej relácie E=hν vidíme, že najväčšia možná frekvencia vyžiareného fotónu je (keď celá kinetická energia elektrónu sa odovzdá jedinému fotónu)
| ν=3,2×10−15 J6,62×10−34 J⋅s=4,8×1018 Hz, |
a zodpovedajúca vlnová dĺžka
| λ=cν=3,0×108 m/s4,8×1018 Hz=6,2×10−11 m=0,62 Å. |
Táto hodnota je na obr. 24.8 označená ako prahová vlnová dĺžka.
V druhom procese sa však môže stať, že elektrón vyrazí z atómu anódy jeden z jeho vnútorných elektrónov – vznikne tu „diera“, ktorá je okamžite zaplnená jedným z elektrónov z vyššej energetickej hladiny atómu. Rozdiel energie medzi energetickými hladinami vnútorných a vonkajších elektrónov je veľmi veľký – najmä u ťažkých atómoch, akými sú aj kovy. Rozdiel energie pri zoskoku vyššieho elektrónu do „diery“ sa vyžiari v podobe jediného fotónu, táto energia je presne kvantovaná, lebo energia všetkých stavov atómu je kvantovaná podobne, ako v Bohrovom modeli atómu vodíka. Pri spomínanom zoskoku v ťažkom atóme je energetický rozdiel vysoký, túto energiu odnáša jediný fotón, ktorý má preto veľmi vysokú frekvenciu (E=hν).
Tieto fotóny sa pridávajú k fotónom z prvého procesu, ale intenzitu zvyšujú len na vlnových dĺžkach, ktoré majú oni – z popísaného druhého procesu –, ako to ukazuje aj obr. 24.8. Séria K vznikla tak, že bombardujúci elektrón vyrazil elektrón z vrstvy K (z vrstvy, ktorá je najbližšie k jadru atómu), a voľné miesto zaplnil elektrón, ktorý zoskočil z vrstvy L,M,N…. Séria L vznikla po vyrazení elektrónu z vrstvy L, kam potom zoskakovali elektróny z vyšších vrstiev (M,N,…), a takto vznikajú aj ostatné série. Každý atóm má, ako sme už povedali, presne dané hladiny energií, ktoré sú určené kvantovou štruktúrou atómu. Tieto energetické hladiny sa odrážajú v charakteristickom röntgenovom žiarení. Pomocou röntgenového spektra sa dá veľmi spoľahlivo určiť prvok. Elektróny na K vrstve cítia v podstate len elektrické pole jadra atómu, ktorého elektrický náboj je Ze, kde Z je počet protónov v jadre. Z K série röntgenového žiarenia sa dá presne určiť počet protónov vějadre použitím Bohrovho modelu atómu vodíka. Tak urobil Henry Mosely, čím vznikla exaktná metóda určovania atómového čísla prvkov v periodickej tabuľke prvkov – dovtedy to bola viac-menej lotéria na základe hmotnosti atómov: napríklad nikel (Z=28) má atómovú hmotnosť 58,7, ale kobalt (Z=27) má atómovú hmotnosť väčšiu: 58,9.