Страница 267 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

Как вы думаете, почему рентгеновское излучение нашло широкое применение для исследования структуры атомов?

Рентгеновское излучение стало фундаментальным инструментом для исследования структуры атомов и вещества по двум главным причинам, связанным с его физическими характеристиками: подходящей длиной волны и высокой энергией квантов.

Во-первых, соизмеримость длины волны и атомных размеров.Ключевое условие для того, чтобы «увидеть» или изучить структуру объекта, заключается в том, что длина волны используемого излучения должна быть сопоставима с размерами исследуемых деталей или меньше их. Размеры атомов и межатомные расстояния в кристаллических телах составляют порядка $10^{-10}$ м (ангстрем, $\text{Å}$). Длина волны рентгеновского излучения лежит в диапазоне от $10^{-12}$ до $10^{-8}$ м, что как раз соответствует этим размерам. Это позволяет рентгеновским лучам дифрагировать на атомной структуре вещества. Когда пучок рентгеновских лучей проходит через кристалл, упорядоченная совокупность атомов действует как трёхмерная дифракционная решётка. Анализируя получаемую дифракционную картину, можно восстановить пространственное расположение атомов. Этот метод, известный как рентгеноструктурный анализ, основан на законе Брэгга-Вульфа:$2d\sin\theta = n\lambda$где $d$ — расстояние между атомными плоскостями в кристалле, $\theta$ — угол падения лучей, а $\lambda$ — их длина волны. Именно так были определены структуры множества кристаллов, белков и даже молекулы ДНК.

Во-вторых, исследование электронной структуры атомов.Энергия квантов рентгеновского излучения достаточно велика, чтобы взаимодействовать с электронами на внутренних, глубоколежащих электронных оболочках атома. Это позволяет изучать не только взаимное расположение атомов, но и внутреннюю структуру самого атома. Если выбить электрон с одной из внутренних оболочек, то на его место переходит электрон с более высокого энергетического уровня. Этот процесс сопровождается испусканием рентгеновского кванта, энергия которого строго определена и является уникальной характеристикой данного химического элемента. Это излучение называют характеристическим.

На основе этого явления Генри Мозли в 1913 году установил знаменитый закон, связывающий частоту $\nu$ характеристического излучения и порядковый номер элемента $Z$ в периодической таблице:$\sqrt{\nu} = k(Z - \sigma)$где $k$ и $\sigma$ — постоянные. Закон Мозли позволил дать физическое обоснование Периодической системе элементов, доказав, что главной характеристикой атома является не атомная масса, а заряд его ядра ($Z$). Это стало мощным подтверждением планетарной модели атома и концепции электронных оболочек. Методы рентгеновской спектроскопии, основанные на этих принципах, позволяют точно определять элементный состав вещества.

Ответ: Рентгеновское излучение нашло широкое применение для исследования структуры атомов по двум основным причинам: 1) его длина волны соизмерима с межатомными расстояниями, что позволяет использовать явление дифракции для определения пространственного расположения атомов в веществе (рентгеноструктурный анализ); 2) его кванты обладают достаточной энергией для взаимодействия с внутренними электронными оболочками атомов, что позволяет изучать их энергетическую структуру, определять элементный состав и подтверждать фундаментальные атомные модели через анализ характеристических рентгеновских спектров (закон Мозли).