Fiziğin Muhteşem DünyasıEtkileşimli fizik simülasyonları
Ana sayfa › Atom ve Molekül Fiziği › X-Işınları · Moseley Yasası

X-Işını Spektrumu ve Moseley Yasası

Bir X-ışını tüpünde $V$ gerilimiyle hızlandırılan elektronlar anoda çarpar. Elektronlar anot atomlarının çekirdek alanında yavaşlarken frenleme ışıması (Bremsstrahlung) yayar ve sürekli bir spektrum oluşur. Bir elektron en fazla tüm kinetik enerjisini tek bir fotona verebileceğinden spektrumun kısa dalga boyu sınırı vardır (Duane–Hunt yasası):

$$\lambda_\text{min} = \frac{hc}{eV} = \frac{1239.84}{V\,[\text{kV}]}\ \text{pm}$$

Elektronun enerjisi anot atomunun K kabuğu bağlanma enerjisini aşınca K kabuğundan elektron sökülebilir. Boşluğu L kabuğundan bir elektron doldurursa Kα, M kabuğundan doldurursa Kβ çizgisi yayılır. Bu çizgilerin enerjileri anot elementine özgüdür (karakteristik ışınım).

Moseley yasası

Kα geçişinde L kabuğundaki elektron, çekirdeği K kabuğunda kalan diğer elektronun perdelediği yaklaşık $(Z-1)e$ yükü olarak görür. Bohr formülü $n=2 \to n=1$ için $$f_{K\alpha} = \frac{3}{4}R_\infty c\,(Z-1)^2,\qquad \sqrt{f} = \sqrt{\tfrac{3}{4}R_\infty c}\;(Z - b),\quad b \approx 1$$ verir. Moseley 1913'te $\sqrt f$ ile $Z$ arasındaki bu doğrusal ilişkiyi ölçerek elementlerin atom numarasına göre sıralanması gerektiğini göstermiş ve henüz bulunmamış elementlerin yerini öngörmüştür.

Tüp ayarları

Anot malzemesi

Spektrumda bir noktaya tıklayarak dalga boyunu ve foton enerjisini okuyun. Çizgilerin hangi gerilimde ortaya çıktığını gözleyin.

frenleme ışımasıKαKβL çizgileri (yalnız W)

Hesaplama

Moseley grafiği

Noktalara tıklayarak seçin; seçilen noktalara en küçük kareler doğrusu uydurulur. Kesikli çizgi basit modeldir: $\sqrt f = \sqrt{3R_\infty c/4}\,(Z-1)$. Noktalar literatürdeki Kα₁ enerjilerinden hesaplanmıştır.

Uydurma

Bunu dene

1. Gerilimi 30 kV yapın. Sürekli spektrum hangi dalga boyunda başlıyor? Spektrumun başladığı nokta anot malzemesine bağlı mı?

Açıklama
$\lambda_\text{min} = 1239.84/30 \approx 41.3$ pm. Anot malzemesini değiştirseniz de değişmez: sınır yalnızca elektronun kinetik enerjisi $eV$'ye bağlıdır. Anot malzemesi yalnızca şiddeti ($\propto Z$) ve karakteristik çizgileri değiştirir.

2. Molibden (Mo) anot seçip gerilimi 15 kV'tan yavaş yavaş artırın. Kα ve Kβ çizgileri hangi gerilimde ortaya çıkıyor? Kα dalga boyu nedir?

Açıklama
K kabuğu bağlanma enerjisi 20.0 keV olduğundan çizgiler $V > 20.0$ kV olunca görünür; Kα ve Kβ birlikte ortaya çıkar. Kα: $E = 17.48$ keV, $\lambda = 1239.84/17.48 \approx 70.9$ pm. Kβ: 19.61 keV, 63.2 pm. Çizgiler L/M kabuğundan K'ya geçişlerden geldiği için K boşluğu oluşmadan hiçbiri görünmez.

3. Moseley grafiğinde tüm noktaları seçin. Uydurulan eğim ve perdeleme sabiti $b$ nedir? Basit modelle karşılaştırın.

Açıklama
Eğim yaklaşık $5.08\times10^{7}\ \text{Hz}^{1/2}$ çıkar; model değeri $\sqrt{3R_\infty c/4} = 4.97\times10^{7}\ \text{Hz}^{1/2}$'dir. $b \approx 1.5$ bulunur (modelde 1). Yüksek $Z$'de noktalar göreli etkiler yüzünden modelin biraz üstüne çıkar. Cu Kα için model $E \approx 10.2\ \text{eV}\,(Z-1)^2 = 8.0$ keV verir; ölçülen 8.05 keV'dir.

Atom ve Molekül Fiziği dersindeki diğer simülasyonlar