RTG záření Moseley Složitější atomy než vodík …..

Prezentace na téma: "RTG záření Moseley Složitější atomy než vodík ….."— Transkript prezentace:

1 RTG záření Moseley Složitější atomy než vodík ….

2 Význam - protonového (atomového) čísla Z
Ionizační potenciál atomu - energie potřebná k odtržení jednoho elektronu z izolovaného atomu V době kolem roku 1910 nebyl zcela jasný význam dnešního protonového čísla a i PSP byla uspořádávána podle atomových hmotností ne podle Z jako dnes. Hlavní zásluhu na objasnění významu protonového čísla má Moseley, který prováděl experimenty s bomardováním různých terčíků elektrony a studoval charakteristické záření X. Chemikové viděli, že ionizační potenciál klesá ve skupině periodické tabulky a vzrůstá zleva do prava v rámci jedné periody. Nárůst ionizačních energií je značný u sousedních prvků. Ještě výraznější je v případě, kdy dojde k zaplnění atomového orbitalu. V grafu tedy vidíme periodické střídání větších a menších ionizač.energií. Je to způsobeno tím, že po odstranění všech elektronů z orbitalu musíme další elektrony „vytahovat“ z orbitalu, který je ale blíže k jádru, a tam elektrony jsou více poutány elektrostatickou interakcí. Na elektrony blízko jádra působí větší elektrostatická síla, proto je jejich odtržení energeticky náročnější. Hodnotu ionizačního potenciálu lze použít i k určení počtu elektronů ve valenční slupce. Např., pokud odtržení jednoho elektronu vyžaduje 1500 kJ/mol, druhý elektron vyžaduje 6000 kJ/mol a třetí 5000 kJ/mol, můžeme usoudit, že atom obsahuje ve valenční slupce jeden elektron, tzn. jedná se o alkalický kov. První elektron jde odtrhnout velmi snadno, protože vzniklý ion získá konfiguraci příslušného vzácného plynu. Odtržení druhého elektronu je již energeticky velmi náročné, protože vzniklá elektronová konfigurace je energeticky méně výhodná.

3 X-Ray RTG Elektron přícházející k povrchu vyzařuje fotony a ztrácí kinetickou energii. Tento zbržděný elektron může svou energii vyzářit jako X-ray foton. Při dopadu elektronu na kov dochází obvykle ke ztrátě jeho kinetické energie postupně, tzn. několika srážkami s částicemi, e postupně uvolňuje svoji energii ve formě tepelného záření. Některé elektrony všechnu svoji energii ztratí při jednom nárazu. V takovém případě se všechna kinetická energie elektronu přemění ve foton. Tímto způsobem je možné získat fotony rentgenového záření. Elektrony emitované z katody žhavené el.proudem jsou urychlovány anodovým napětím o velikosti desítek až stovek kV. Katoda je obklopena dutým (Wehneltovým) válcem, vodivě spojeným s katodou, který tvoří fokusační elektrodu soustřeďující elektronový svazek do malé oblasti na povrchu anody.V místech dopadu elektronů na anodu vzniká rtg záření; v daném uspořádání může rentgenka tvořit téměř bodový zdroj spojitého brzdného záření a – při vhodných hodnotách urychlovacího napětí elektronů – také zdroj charakteristického záření s diskrétním spektrem, odpovídajícím materiálu anody. X-ray neboli Rentgenovo záření je elmg záření s vln.délkou nm, frekvence 30 PHz - 30 EHz.

4 Inverzní fotoelektrický jev
ZZE -kinetická energie elektronu musí být rovná maximální energii vytvořeného fotonu. Obvykle lze zanedbat výstupní práci, která v těchto případech bývá malá oproti potencialní energii elektronu. To vede k tzv. Duane-Hunt mezi, která byla objevena nejprve experimentálně. Minimální vlnová délka fotonu závisí pouze urychlovacím napětí a je stejná pro všechny terče. Rtg záření vzniká v situaci, kdy nabitá částice mění dostatečně prudce rychost. Jedním z příkladů je tzv. brzdné záření vznikající při průchodu urychlené nabité částice, obvykle elektronu, hmotným prostředím, které snižuje její energii. Základní charakteristikou brzdného záření je spojité spektrum nezávislé na typu brzdícího prostředí. Má-li však brzdná částice dostatečnou energii, objeví se ve spektru také diskrétní spektrální čáry, jejichž charakter a poloha jsou naopak pro složení brzdícího prostředí charakteristické. Studium vlastností diskrétních rtg spekter prvků je významným prostředkem pro studium struktury atomů. Při dostatenčně vysokých energiích elektronů emituje anoda rentgenky čárové diskrétní spektrum. Se vzrůstající energií elektronů intenzita a počet čar vzrůstá, v konečném tvaru se spektrum sestává z nevelkého počtu čar, které se – podobně jako optická atomová spektra – sdružují do sérií, přičemž polohy jednotlivých čar závisí na materiálu anody. Na rozdíl od optických spekter se na vzniku rentgenových spekter podílejí pouze silně vázané elektrony vnitních slupek.

5

6 Vlastnosti a užití * RTG záření iIonizuje vzduch a jiné plyny. Na tom jsou založeny funkce některých typů indikátorů rentgenového záření. * Pohlcování RTG různými materiály závisí naprotonovém čísle. Čím větší je protonové číslo atomů materiálu, tím víc tento materiál záření pohlcuje. Využití rentgenového záření v medicíně vychází mj. z faktu, že kosti (vápník) pohlcují záření víc než měkké tkáně (voda). * Pohlcování rentgenového záření závisí na tloušťce pohlcující vrstvy. Defektoskopie je založena na tom, že vnitřní vady znamenají změnu tloušťky pohcující vrstvy a tím i změnu intenzity procházejícího rentgenového záření. * Vyvolává luminiscenci (světélkování) některých látek. Světélkování krystalků Röntgena k objevu nového záření a dlouhou dobu bylo luminiscenční stínítko základním prvkem rentgenového přístroje. Dnes je nahrazují polovodičové detektory, televizní systémy a digitální zpracování obrazu. * Pronikavost záření závisí na vlnové délce (na napětí mezi anodou a katodou rentgenky). Základním regulačním prvkem je urychlující napětí, podle jeho velkosti dělíme rentgenové záření na tvrdé (velmi pronikavé) a měkké (méně pronikavé). * RTG vyvolává v živých organismech biologické, chemické a genetické změny.Této vlastnosti se využívá například při ozařování zhoubných nádorů. Obsluhující personál i pacienti mají být před nežádoucími účinky chráněni.

7 Shrnutí: Z anody vystupuje obecně rentgenové záření dvojího druhu - brzdné a charakteristické.   Brzdné záření – rychlé elektrony se dopadem na anodu náhle zbrzdí a jejich kinetická energie se přemění na energii fotonů elmg. záření. Toto záření obsahuje fotony všech vlnových délek, počínaje tzv. mezní vlnovou délkou Lm. Spektrum brzdného záření je spojité. Charakteristické záření - elektron dopadající na anodu může vyrazit některý elektron z nejvnitřnějších hladin K nebo L atomu materiálu anody. Toto náhle neobsazené místo je okamžitì obsazeno jiným elektronem z vnějších hladin za vyzáření fotonu rentgenového záření s energií rovnou energetickému rozdílu mezi elektronovými hladinami. Charakteristické záření má proto čárové spektrum, které je závislé na materiálu anody.

8 Spektrum charakteristického záření je diskrétní - čárové. Různým chemickým prvkům, z nichž se anoda skládá, odpovídají různé pro ně charakteristické systémy spektrálních čar. Toto záření vzniká, mají-li elektrony dopadající na anodu energii dostatečnou k vyražení některého z elektronů z nižších energetických hladin atomů látky - elektron může být buď vyražen na některou vyšší neobsazenou hladinu, nebo - a to častěji - může atom zcela opustit (ionizace). Na uprázdněné místo po elektronu pak přeskakují elektrony z vyšších obsazených hladin atomu při současné emisi fotonu charakteristického záření. Čára v rtg. spektroskopii označovaná jako Kalfa například odpovídá přeskoku z hladiny s hlavním kvantovým číslem n = 2 na hladinu n = 1, bývá nejintenzivnější, takže se užívá jako referenční. Další čára ze stejné serie Kbeta přeskoku z hladiny n = 3 na n = 1, čára L z hladiny n = 3 na n = 2 . Podobně jako v optické spektroskopii lze i zde vlnočty jednotlivých čar počítat jako rozdíly rentgenových termů atomu. Protože na elektrony na nejnižších energetických hladinách působí v atomu silně zejména elektrické pole jádra, v jehož blízkosti se nacházejí, nabízí se použít pro odhad hodnot termů a vlnočtů vztahů vyplývajících z Bohrovy teorie. Jejich souhlas s měřenými hodnotami lze dále zlepšit zavedením vhodné korekce: pro vlnočet n12 čáry odpovádající přeskoku mezi hladinami n = n1 a n = n2 máme vztah, kde R je Rydbergova konstanta a Z atomové číslo prvku. Korekční člen s, tzv. stínící konstanta, může být interpretován jako vliv náboje ostatních elektronů, které odstiňují pole jádra a zvětšuje se s rostoucí vzdáleností elektronu od jádra. Například pro čáru K zjistil Moseley hodonoty s v blízkosti 1, pro čáru L však již okolo 7,4. Celou uvedenou interpretaci čárových rtg. spekter publikoval Moseley ve dvou významných pracech již v letech Důležitým výsledkem bylo spolehlivé přiřazení atomových čísel jednotlivým prvkům. Vztahu se dá vytknout určitá nedůslednost: správněji bychom měli brát pro různé termy různé konstanty stínění s. Pokud však bude jeden z termů podstatně větší než druhý, nedopustíme se velké chyby, vezmeme-li hodnotu s odpovídající většímu termu. Vztah je výhodný proto, že vystačíme s hodnotami vlnočtů a nepotřebujeme znát termy, jejichž určení by bylo obtížnější.

9 Pořadí prvků v periodickém systému je dáno jeho protonovým číslem Z.
Důkaz, že číslo Z není jen pořadovým číslem, ale že má i fyzikální smysl, podal r Moseley. Při studiu charakterist.záření rentgenových lamp, jejichž antikatody byly z různých prvků, nalezl vztah mezi pořadovým číslem prvku Z a vlnovou délkou l tohoto záření:

10

11 Z pravidelně se opakujících vlastností prvků vyvodil Dmitrij Ivanovič Mendělejev tzv. periodický zákon 1869. Hlavní myšlenka zákona: Vlastnosti prvků jsou periodickou funkcí jejich hmotností atomů A. ??nee??. Pravidelně se u prvků opakují podobné vlastnosti. Prvky s podobnými vlastnostmi mají stejný počet valenčních elektronů.Tomu je třeba rozumět tak, že chemické a fyzikální vlastnosti prvků závisí na jejich atomových hmotnostech. Dnes je známo, že to není pravda a i Mendělejev věděl, že hmotnost jodu je menší než hmotnost telluru. Přesto ho zařadil do své tabulky správně, protože se tehdy domníval, že jeho hmotnost byla určena špatně. R pozoroval Henry Moseley pravidelnosti v rentgenových spektrech prvků. Objevil protonové číslo Z, zdůvodnil oprávněnost řadové posloupnosti prvků podle Mendělejeva a opravil formulaci periodického zákona. Vlastnosti prvků jsou periodickou funkcí jejich atomového čísla Z(dnes protonové číslo).

12

13 Co je charakteristické RTG záøení, jak a proè vzniká?
Nakreslete schema RTG lampy. Je charakteristické záøení fysikální konstantou prvku, podobnì jako napø. bod tání? V tabulce jsou zaznamenány vln. délky K èar charakteristického záøení antikatody vyrobené z nìkterých prvků. Ukažte, že výše uvedený vztah platí i pro sérii dat uvedenou v následující tabulce ( vyneste do grafu podle Moseleyho vztahu). Vypočěte konstantu úmìrnosti v rovnici. Zjistěte jak se tato konstanta nazývá a jaký symbol se užívá pro její označení. Prvek [m] Na 11,88·10–10 Fe 1,94·10–10 K 3,73·10–10 Co 1,79·10–10 Ca 3,35·10–10 Cu 1,54·10–10 a) X záøení vzniká na antikatodì lampy Charakteristické záøení je konstantou prvku, podobnì jako bod tání a)  Vyneseme 1/ proti 0,75×(Z – 1)2. Z lineární závislosti pak urèíme neznámou konstantu úmìry k jako smìrnici pøímky.

14 Hodnota konstanty úměrnosti je 1,102.107 m–1.
Z 0,75×(Z–1)2 1/, m–1 11 75 8,42×108 19 243 2,67×109 20 271 2,99×109 26 469 5,18×109 27 507 5,59×109 29 588 6,49×109 Hodnota konstanty úměrnosti je 1,  m–1. To je v dobré shodì s tabulkovou hodnotou Rydbergovy konstanty, udávanou R = 1, m–1.

15 Elektromagnetické vyzařování atomu
Jaké druhy elektromagnetického záření pohlcují/vyzařují částice v atomu při přechodu mezi hladinami? IR, viditelné, UV E ¡Ö eV rentgen E ¡Ö keV gamma E ¡Ö GeV

16 Spektroskopická notace
Spektralní termy mají tuto strukturu: n2S+1Lj(Sl) kde: n = principal quantum number L = total azimuthal quantum number (= l if there is only one electron); the designation makes use of letters, not numbers: S (L=0) , P (L=1), D (L=2), F (L=3) S = total spin number (= ½ for a single electron) 2S+1 = multiplicity of the level J = total internal quantum number (= j if there is only one electron) Sl = total parity (it is explicitly indicated only if odd, and then the letter 'o' is used. .