Фотоэффект

Процесс, когда γ-квант взаимодействует с одним из электронов и при этом полностью поглощается атомом, а его энергия тратится на преодоление связи электрона и удаление его из атома, называется фотоэлектрическимпоглощением, или фотоэффектом. При этом электрон выбрасывается за пределы атома с энергией

где E_γ – энергия γ-кванта; E_q – энергия связи электрона (потенциал ионизации оболочки атома).

Если энергия γ-кванта больше энергии связи наиболее близкого к ядру электрона, то фотоэффект может происходить на любой электронной оболочке атома. Максимальную вероятность поглощения кванта имеют наиболее сильно связанные электроны. Фотоэлектрический коэффициент поглощения на K-оболочке в несколько раз больше подобного коэффициента на всех остальных.

Поскольку электроны, окружающие атомы ядра, располагаются на отдельных энергетических уровнях (K-, L-, M- и т. д.), при удалении одного из электронов атом оказывается в возбуждѐнном состоянии. Он возвращается в нормальное состояние практически мгновенно (10^-16–10 ^-7 с) путѐм целого каскада последовательных переходов электронов с одного уровня на другой с постепенным снижением энергии перехода. В результате таких переходов избыток энергии атома теряется за счѐт испускания фотонов, образующих характеристическое рентгеновское излучение, называемое также рентгеновским флуоресцентным излучением.

Связь между энергией E_х характеристического рентгеновского излучения элемента и его атомным номером Z определяется законом Мозли, согласно которому

√

Таким образом, для каждого элемента энергия его характеристических квантов строго фиксирована, и интенсивность характеристического излучения определяется массовой концентрацией этого элемента в исследуемом веществе. Эти два обстоятельства являются основой гамма-флуоресцентного метода измерения.

В данном методе обычно используются K- и L-серии характеристического излучения элементов.

Для возбуждения атома на q-уровне энергия, передаваемая электрону, не может быть меньше энергии связи электрона на данном уровне. Минимальная

энергия излучения, приводящая к возбуждению атома на q-уровне, очень близка к энергии q-края поглощения, но несколько меньше него. Энергия возбуждения атома на K-уровень почти на порядок больше той же энергии для возбуждения на L-уровень.

Если E_γ > E_К (наиболее близкого к ядру электрона), то фотоэффект может происходить на любой электронной оболочке атома.

Испускаемое атомами характеристическое излучение имеет линейчатый спектр, состоящий из нескольких серий линий. Линия спектра K-серии возникает при появлении вакансии на K-уровне, линия L-серии при возникновении вакансии на L-уровне и т. п. Если атомы вещества испускают кванты q-серии, то в спектре всегда будут присутствовать линии более удалѐнных уровней (серий). Заполнение K-уровня электронами может происходить за счѐт электронов L_III- и L_II-подуровней (соответственно -,

-линии с энергией фотонов, отличающихся друг от друга) или за счѐт

Поскольку любой из переходов случаен, предсказать появление конкретной линии невозможно. Вероятность появления линий различна, больше она для линий, расположенных к K-уровню ближе других. Соотношение интенсивностей линий K-серии следующее:

Подобные закономерности соотношения интенсивностей справедливы и для других уровней.

В редких случаях избыток энергии атома вызывает не излучение фотона, а излучение оже-электрона. Это происходит при заполнении вакансии электроном L_III-серии с L_I-уровня (безрадиационный переход).

Выход фотонов характеризуется коэффициентом выхода флуоресценции (отдачей флуоресценции) W_q, определяемым соотношением числа атомов, испустивших фотоны характеристического излучения q-серии, к общему числу атомов, возбуждѐнных на q-уровень:

Коэффициент выхода флуоресценции зависит от порядкового номера элемента и возбуждаемого уровня, для каждого элемента он является постоянной величиной. С увеличением порядкового номера элемента вероятность радиационных переходов возрастает.

Приближѐнное значение коэффициента выхода флуоресценции для K-уровня можно найти по формуле

Для L-уровня коэффициент выхода флуоресценции в несколько раз меньше, чем для K-уровня (эта закономерность действует и при переходе к каждому последующему уровню), поэтому при γ-флуоресцентном методе обогащения целесообразно использовать информацию о характеристическом излучении, возникающем при возбуждении K- или L-краѐв поглощения химических элементов. В табл. 6.5 приведены значения энергии K-краѐв поглощения для химических элементов. При этом под краем поглощения понимается граничное значение энергии излучения, способного удалить электрон с K-уровня.

Энергии скачков специфические для каждого элемента. Энергия каждого i-го скачка соответствует i-му краю поглощения.

В табл. 6.5 представлены энергетические характеристики фотонов химических элементов.

При рассмотрении данных таблицы следует учитывать, что фотоны с энергией 1–3 кэВ имеют низкую проникающую способность даже в воздухе, что делает невозможным их использование при информационном обогащении. Нижняя граница применения гамма-флуоресцентного метода находится в области элементов с Z=20, то есть метод применим начиная с кальция.

Гамма-флуоресцентный метод обогащения может использоваться для многих типов руд цветных, чѐрных и редких металлов, например марганцевых, медно-никелевых, медно-цинковых, молибденовых, оловянных, свинцово-цинковых, цезиевых, вольфрамовых и др.

Флуоресцентные методы весьма селективны, они являются прямыми, так как интенсивность излучения в характеристической рентгеновской энергетической области элемента прямо характеризует его содержание в контролируемом объѐме (слое) вещества. В спектре может быть выделено несколько спектральных областей, каждая из которых соответствует определѐнному элементу, что позволяет одновременно определять содержания нескольких элементов. Эти преимущества делают флуоресцентные методы наиболее информативными и перспективными для применения.

Практическая реализация флуоресцентных методов обогащения, помимо выделения спектральной области определѐнного элемента, требует в ряде случаев учѐта ряда мешающих факторов (размеры кусков, расстояния излучатель-кусок, кусок-детектор, влияние аналитических линий прочих элементов, влияние рассеянного излучения и т. д.). Учѐт может производиться различными приѐмами.

Таблица 6.5