Формулировка закона Мозли

Периодические свойства элементов

Так как электронное строение элементов изменяется периодически, то соответственно периодически изменяются и свойства элементов, определяемые их электронным строением, такие как энергия ионизации, размеры атомов, окислительно-восстановительные и другие свойства

21. Образование оптических и рентгеновских спектров. Закон Мозли.

Рентгеновские спектры

Оптические спектры возникают при переходах слабее всего связанного с ядром оптического электрона из возбужденного состояния в основное. Возбуждение атомов может происходить за счет соударений между атомами, соударений атомов с электронами или за счет поглощения фотонов.

При поглощении атомом порции энергии, достаточной для вырывания (или возбуждения) одного из внутренних электронов, испускается характеристическое рентгеновское излучение. Соответствующая порция энергии может быть сообщена атому за счет удара достаточно быстрым электроном или поглощения рентгеновского фотона.

В то время как тормозное рентгеновское излучение не зависит от материала антикатода и определяется лишь энергией бомбардирующих антикатод электронов, характеристическое излучение определяется природой вещества, из которого изготовлен антикатод. До тех пор пока энергия электрона недостаточна для возбуждения характеристического излучения, возникает только тормозное излучение. При достаточной энергии бомбардирующих электронов на фоне сплошного тормозного спектра появляются резкие линяй характеристического спектра, причем.интенсивность этих линий во много раз превосходит интенсивность фона.

Рентгеновские спектры отличаются заметной простотой. Они состоят из нескольких серий, обозначаемых буквами K,L, M, N и О. Спектры разных элементов имеют сходный характер. При увеличении атомного номера Z весь рентгеновский спектр лишь смещается в коротковолновую часть, не меняя своей структуры (рис. 219). Это объясняется тем, что рентгеновские спектры возникают при переходах электронов во внутренних частях атомов, которые (части) имеют сходное строение.

Схема возникновения рентгеновских спектров дана на рис. 220. Возбуждение атома состоит в удалении одного из внутренних электронов. Если под влиянием внешнего быстрого электрона или рентгеновского фотона вырывается один из двух электронов К-слоя, то освободившееся место может быть занято электроном из какого-либо внешнего слоя (L, М, N и т. д.). При этом возникает /(-серия. Аналогично возникают и другие серии. Серия К обязательно сопровождается остальными сериями, так как.при испускании ее линий освобождаются уровни в слоях L, М и т. д., которые будут в свою очередь заполняться электронами из более высоких слоев.

Мозли (1913) установил простой закон, связывающий частоты спектральных линий с атомным номерам испускающего их элемента:

Зависимость, установленная Мозли, позволяет по измеренной длине волны рентгеновских линий точно установить атомный номер данного элемента; она сыграла большую роль при размещении элементов в периодической системе.

Мозли дал простое теоретическое объяснение найденного им закона. Он установил, что для линии- К_а константа С в формуле (78Л) имеет значение, равное , где R — постоянная Ридберга, Следовательно, для этой линии

зависимость (78.1) можно записать в виде

Рис. 219.

ной функцией атомного номера Z. Константа о сохраняет свое значение в пределах одной и той же серии для всех элементов^ но меляется при перехода oi одной с&-рии к другой. По измерениям Мозли о = 1 для /(-серии и а = 7,5 для L-серии. Константа С имеет свое значение для каждой линии одинаковое, о дня ко, для всех элементов. Насколько точно выполняется закон Мозли, можно судить по диаграмме, изображенной на рис. 221 (ее называют диаграммой Мозли).

Линия такой же частоты получается при переходе электрона, находящегося в поле заряда (Z— 1)е, с уровня п = 2 на уровень п = 1,

Для других линий формуле (78.1) можно придать вид:

где о в пределах одной и той же серии постоянна.

Рис. 220.

Смысл константы о легко понять: электроны, совершающие переход при испускании рентгеновских лучей,

находятся под воздействием ядра, притяжение которого несколько ослаблено действием остальных окружающих его электронов. Это так называемое экранирующее действие и находит свое выражение в необходимости вычесть из Z некоторую величину о.

На какой-либо электрон одной из внутренних оболочек дальше отстоящие от ядра электроны воздействуют слабо, так как создаваемое ими внутри поле в среднем равно нулю (поля внутри заряженной сферической поверхности нет). Поэтому внутренние электроны находятся в основном лишь под воздействием роля ядра и электронов, находящихся ближе к ядру. Таким образом, поправка о вызывается наличием более глубоких элек-

Рис. 221.

тронов и слабым возмущением со стороны остальных электронов.

Формула (78.1) является не вполне точной. Она основана на допущении, что постоянная экранирования для обоих термов, входящих в выражение (78.3), имеет одинаковое значение. На самом же деле экранирование, например, для /(-терма будет слабее, чем для L-терма, потому что электрон, находящийся в L-оболочке, экранируют оба электрона /(-оболочки и, кроме того, частичное участие в экранировании принимают остальные электроны L-оболочки, в то время как для электрона Д'-оболочки экранирование осуществляется только одним вторым /(-электроном. С учетом сделанных замечаний формулу (78.3) следует писать в виде:

Приближенность формулы (78.1) можно заметить на графике, изображенном на рис. 221. При внимательном рассмотрении обнаруживается, что построенный па основе опытных данных график для /(-серии имеет не вполне прямолинейный характер.

Зако́н Мо́зли — закон, связывающий частоту спектральных линий характеристического рентгеновского излученияатома химического элемента с его порядковым номером. Экспериментально установлен английским физиком Генри Мозли в 1913 году.

Формулировка закона Мозли

Согласно Закону Мозли, корень квадратный из частоты {\displaystyle \nu } спектральной линии характеристического излучения элемента есть линейная функция его порядкового номера {\displaystyle Z} : {\displaystyle {\sqrt {\frac {\nu }{R}}}={\frac {Z-S_{n}}{n}}}

Исследуя рентгеновские спектры элементов, английский физик Г. Мозли установил в 1913 г. соотношение, называемое законом Мозли: n=R(Z-s)(1/m²-1/n²),

где n--частота, соответствующая данной линии характеристического рентгеновского излучения, R—постоянная Ридберга, s--постоянная экранирования, m=1,2,3, …(определяет рентгеновскую серию), n принимает целочисленные значения с m+1 (определяет отдельную линию соответствующей серии).

Смысл постояннай экранирования заключается в том, что на электрон, соответствующий некоторой линии, действует не весь заряд ядра Ze, а заряд (Z-s)е, ослабленный экранирующим действием других электронов.На диаграмме Мозли зависимость от {\displaystyle Z} представляет собой ряд прямых (К-, L-, М- и т. д. серии, соответствующие значениям n = 1, 2, 3,…).

Закон Мозли явился неопровержимым доказательством правильности размещения элементов в периодической системе элементов Д. И. Менделеева и содействовал выяснению физического смысла {\displaystyle Z} .

В соответствии с Законом Мозли, рентгеновские характеристические спектры не обнаруживают периодических закономерностей, присущих оптическим спектрам. Это указывает на то, что проявляющиеся в характеристических рентгеновских спектрах внутренние электронные оболочки атомов всех элементов имеют аналогичное строение.

Более поздние эксперименты выявили некоторые отклонения от линейной зависимости для переходных групп элементов, связанные с изменением порядка заполнения внешних электронных оболочек, а также для тяжёлых атомов, появляющиеся в результате релятивистских эффектов (условно объясняемых тем, что скорости внутренних электронов сравнимы со скоростью света).

В зависимости от ряда факторов — от числа нуклонов в ядре атома (изотопический сдвиг), состояния внешних электронных оболочек (химический сдвиг) и пр. — положение спектральных линий на диаграмме Мозли может несколько изменяться. Изучение этих сдвигов позволяет получать детальные сведения об атоме.