Изпълнение на упражнението

Таблица ІІ.1

n	ns s ( = 0)	np p (= 1)	nd d (= 2)
3	1,373	0,883	0,013
4	1,358	0,867	0,011
5	1,353	0,862	

Резултатите от измерените и изчислените стойности на дължините на вълните се нанасят в таблица и се определя в проценти относителната неопределеност на измерването [(_изм  _изч)/_изч]100 %.

Подробни сведения за атомния спектрален анализ има в Допълнение 1. Полуколичественият спектрален анализ се използва обикновено в производството за контрол при получаване на метални сплави и други материали. Методът се отличава с бързина и икономичност. Анализът се извършва със специални прости и често портативни спектрални уреди, наречени стилоскопи или стилометри.

Опитна постановка

При анализа със стилоскоп концентрацията на даден елемент се определя чрез непосредствено визуално оценяване интензитетите на избрани аналитични линии спрямо съответните близки линии за сравнение. Оценката неминуемо е приблизителна, поради неточността при сравняване осветеностите на двете линии, затова и методът се нарича полуколичествен. Очевидно точността на метода е по-висока за наблюдатели с голям опит.

Анализът се извършва със стилоскоп от даден тип, в който за източник на светлина се използва дъгов разряд, създаден от променливотоков генератор.

Изпълнение на упражнението

Зависимостта  = f(N), където N са деленията на барабана, въртящ призмата на спектралния уред, се измерва по спектъра на медта. Единият електрод на светлинния дъгов източник е меден, а за другия се използва дебела пластинка мед. Регулира се разстоянието между двата електрода (24 mm) и се запалва дъгата. Яркото зелено светене е указание, че разрядът е дъгов. Окулярът на стилоскопа се нагласява така, че линиите да са добре фокусирани. При въртене на барабана на стилоскопа зад показалеца се появяват последователно линиите от спектъра на медта. Те трябва да бъдат идентифицирани по дадената към упътването цветна схема, на която са нанесени и дължините на вълните на най-интензивните линии. Желателно е да се следват дадените в Упражнение 7 съвети. Данните се използват за построяване на графичната зависимост  = f(N), като по абсцисната ос се нанасят скалните деления, а по ординатната  дължините на вълните на съответните линии.

2. Определяне концентрацията на хром в стоманени проби.

Най-често използваните аналитични линии на хрома заедно с обкръжаващите ги линии на желязото образуват седем характерни групи, разположени в различни части на спектъра. В полуколичествения анализ се използват специфични означения. Долният ляв индекс под химичния символ на елемента означава номерът на групата линии (напр. Cr₁ означава първа група на хрома). Линиите за сравнение са означени с номера, като обикновено линия 1 е линията на хрома в съответната група, а с останалите номера са означени линиите за сравнение на желязото. Знакът за равенство между две цифри означава, че интензитетите на двете линии са еднакви, а на неравенство  че едната от линиите е по-интензивна от другата. Към опитната постановка са дадени дължините на вълните на хрома в две от групите (1 и 4), схема на линиите в съответната група и условията за определяне концентрациите на хрома в няколко стоманени образеца. Трябва да се има предвид, че група Cr₁ се използва за определяне на много малки концентрации (до 0,20 %). Ако се окаже, че аналитичната линия е доста по-интензивна от линия 3 (на Fe), тази група не е подходяща за анализ и трябва да се премине към групата Cr₄, която се използва при по-големи концентрации.

3. Определяне концентрацията на манган в стоманени проби.

Концентрацията на манган в същите проби се определя по подобен начин. Аналитичните линии на мангана 1 и 5 се намират в синята част на спектъра. Дължините на вълните, схемата на линиите и условията за определяне на концентрацията, също са дадени в отделни схеми към опитната постановка.

Рентгеновите лъчи възникват при облъчване на вещество с ускорени електрони (5 100 kеV). Това фотонно лъчение с дължина на вълната от 10^3 до 100 nm е два вида: спирачно и характеристично. Спирачното лъчение не зависи от материала на облъчваното тяло, а само от енергията на електроните. Неговият спектър е непрекъснат. То възниква при спирането на електроните във веществото. Характеристичното лъчение възниква над определена прагова енергия на електроните, зависеща от материала на антикатода (анода), и се проявява като дискретни интензивни линии върху непрекъснатия спектър. Честотите на тези линии са характерни за всеки елемент и отразяват структурата на атома му. Характеристичното лъчение възниква при наличие на ваканция (дупка) в дълбоките електронни слоеве. Ваканцията се запълва от електрон от по-високо разположен слой, разликата в енергиите на свързване се излъчва (с определена вероятност) във вид на електромагнитен квант, а ваканцията се премества в по-горен слой. Процесът на запълване на дупката с електрон се повтаря, така тя се придвижва все по-нагоре по нивата на атома и се излъчва целият характеристичен спектър на елемента. Така че изследването на характеристичното рентгеново лъчение дава пряка информация за вътрешната структура на атома.

На фиг. ІІ.13 са показани нивата на ваканцията, които представляват инвертни състояния, тъй като в запълнения слой, или ниво, има само един липсващ електрон. Състоянието на атома се определя от нивата на дупката, които са еквивалентни на нивата на атом с един електрон над запълнени слоеве. Тази аналогия със спектрите на алкалните метали се проявява в дублетния характер на линиите, която възниква поради силното спин-орбитално взаимодействие, водещо да разцепване на всички нива (освен S-нивата) на две за двете стойности на j: 1/2 и +1/2. Според приетите означения К-рентгеновите линии възникват при запълване на ваканция в К-слоя, L-линиите  при запълване на ваканция в L-слоя и т. н. С  се означават линиите, възникнали при преход на ваканцията към съседния атомен слой (напр. от К към L), а с  се означават линиите, свързани с преминаване на дупката в слоя над съседния (напр. от К към М).

Броят на нивата във всеки атомен слой на един многоелектронен атом се определя от възможните стойности на L, орбиталното квантово число на атома (в случая това число съвпада с орбиталното квантово число на дупката ). Стойностите му са от 0 до n  1. К-слоят с n = 1 има само едно S-ниво, L-слоят се разцепва на 3: на едно S-ниво (при = 0) и две Р-нива ( = 1), възникващи от силното спин-орбитално взаимодействие. М-слоят се разцепва на 5 нива, N-слоят  на 7 и т. н. Също както и при оптичните спектри на алкалните метали, характеристичните рентгенови линии се излъчват само при промяна на орбиталния момент с единица. Подборното правило забранява преходите S  S, P  P, D  D и т. н., а поради второто подборно правило j = 1, интензитетът на линията Р_3/2  S_1/2 e по-нисък от този на линията P_1/2  S_1/2.

Законът на Мозли дава връзката между енергията на К_-рентгеновите линии и поредния номер на елемента. Мозли (1912) измерва дължината на вълната  на характеристичните К_-рентгенови лъчи и установява следната зависимост

(ІІ.28) или

където R е константата на Ридберг. От тук за вълновото число се получава

(ІІ.29) .

Тази връзка много напомня формулата на Балмер за лаймановата серия на водорода, като единствената разлика е в заряда на ядрото: (Z  1), вместо Z. Обяснението е, че дупката "вижда" ядрото екранирано от втория електрон в К-слоя. За енергията на К_-фотоните се получава

(ІІ.30) ,

откъдето следва зависимостта

(ІІ.31) .

За проверка на закона на Мозли ще използваме 5 метала: рубидий (Rb), молибден (Mo), сребро (Ag), барий (Ba) и тербий (Tb). За създаване на ваканция в К-слоя на мишените от тези метали, те се облъчват от меките -лъчи на -източника ²⁴¹Am ( keV).

Рентгеновите лъчи се регистрират от пропорционален брояч, пълен с два благородни газа, като неговият сигнал се подава на едноканален амплитуден анализатор за анализ на импулсите по големина (работата с този анализатор е описана в Упражнение 22). Работи се в режим на диференциален спектър, което позволява измерването на енергетичния спектър от дадена мишена. Спектърът представлява зависимостта на броя регистрирани импулси с дадена амплитуда от големината на същата. Амплитудата на импулсите е пропорционална на енергията на електроните, породени от взаимодействието на рентгеновите лъчи с газа на брояча. Фотопикът (или линия на пълното поглъщане) ясно се отделя от шумовете и той съответства на енергията на рентгеновите лъчи, определена по положението на центъра му. В спектрите на мишените с по-голямо Z се появяват и допълнителни (един или два в зависимост от Z на мишената) максимуми с по-ниска енергия от тази на фотопика. Произходът на тези линии, известни като линии на излитане (escape peak) (вж. Допълнение 3), е свързан с породените К-рентгенови лъчи в работните газове на пропорционалния брояч. Разстоянието на тези пикове от фотопика за дадена мишена отговаря на енергията на К-рентгеновите лъчи на тези газове.