Фізика – Чолпан П.П. 2003
Випромінювання, відкрите 1895 р. німецьким фізиком В. Рентгеном і назване на його честь рентгенівським, відіграло велику роль у дослідженнях будови електронних оболонок і властивостей складних атомів, при вивченні будови молекул, а особливо кристалічної ґратки твердих тіл. Рентгенівське випромінювання виникає при гальмуванні речовиною швидких електронів унаслідок перетворення кінетичної енергії цих електронів в енергію електромагнітного випромінювання. Рентгенівське випромінювання — це електромагнітне випромінювання, що характеризується дуже короткими довжинами хвиль від 0,1 до 80 нм. Нагадаємо, що довжина хвилі найкоротших фіолетових променів, що сприймаються оком, дорівнює 400 нм.
Для одержання рентгенівського випромінювання використовують спеціальні електровакуумні прилади — рентгенівські трубки. Вони складаються з вакуумованого скляного або металевого корпусу, в якому на певній відстані один від одного містяться катод і анод. Катод є джерелом електронів, а анод (антикатод) — джерелом рентгенівського випромінювання. Між катодом і анодом створюється сильне електричне поле, яке прискорює електрони. У ньому електрони набувають енергії 10 4 …10 5 еВ.
Електрони, які вилітають із катода, набувають між катодом і анодом дуже великих швидкостей. Вдаряючись в поверхню анода (антикатода) зазнають гальмування, внаслідок чого випромінюють рентгенівські промені. Тому це випромінювання називають ще гальмівним. При гальмуванні електронів, як правило, не вся енергія йде на випромінювання, а частина її витрачається для нагрівання антикатода. Енергія електронів, яку вони набувають в електричному полі трубки, визначається різницею потенціалів на електродах рентгенівської трубки.
Оскільки втрата енергії електронів на нагрівання антикатода різна, то випромінюються кванти різної енергії. Тому спектр рентгенівського гальмівного випромінювання дістають суцільний.
Як свідчить досвід, існують два типи рентгенівського випромінювання. Перший тип називають білим рентгенівським випромінюванням. Йому властивий суцільний спектр, подібний до спектра білого світла, звідси і назва цього випромінювання. Рентгенівський суцільний спектр обмежений з боку коротких довжин хвиль деякою найменшою довжиною хвилі λ m іп, яку називають граничною (короткохвильова межа суцільного спектра). На рис. 15.12 показано суцільні спектри у випадку вольфрамового антикатода для ряду значень різниці потенціалів між електродами рентгенівської трубки (20, 25, 30, 35, 40, 50 кВ).
Зі збільшенням енергії електронів не лише зміщуються в короткохвильову ділянку спектра границя спектра і максимум у спектрі, а й швидко зростає інтенсивність випромінювання І.
Наявність межі λ m іп не можна пояснити, виходячи з класичних уявлень про природу рентгенівського випромінювання. Неперервний спектр гальмівного рентгенівського випромінювання за хвильовими уявленнями не повинен бути обмеженим. Дослід показав, що гранична довжина хвилі λ m іп обернено пропорційна кінетичній енергії K -електронів, які зумовлюють гальмівне рентгенівське випромінювання. На основі квантових уявлень наявність λ m іп пояснюється просто. Справді, з погляду квантових уявлень, максимальна енергія hν m ах рентгенівського кванта, що виникає за рахунок енергії електрона, не може перевищувати цієї енергії:
Переходячи у формулі (15.31) від частоти до довжини хвилі, дістанемо
Формула (15.32) добре узгоджується з дослідними даними. Свого часу вона виявилась одним з найточніших методів експериментального визначення сталої Планка h.
Співвідношення (15.32) збігається з рівнянням Ейнштейна (13.13) для фотоефекту, якщо в ньому знехтувати роботою виходу електрона з металу. Якщо фотоефект зумовлений рентгенівським випромінюванням, то в рівнянні (13.13) робота виходу електрона з металу Авих значно менша за енергію кванта hν і нею можна знехтувати. Фотоефект і виникнення гальмівного рентгенівського випромінювання є взаємооберненими явищами.
Другим типом випромінювання є характеристичне рентгенівське випромінювання. Його називають так через те, що воно характеризує речовину антикатода (анода) рентгенівської трубки. Спектр характеристичного рентгенівського випромінювання — лінійчастий. Особливість цих спектрів полягає в тому, що кожний хімічний елемент дає певний характеристичний рентгенівський спектр незалежно від того, чи збуджується атом у вільному стані, чи він входить до хімічної сполуки. Спектри характеристичного рентгенівського випромінювання істотно відрізняються від оптичних електронних спектрів тих самих атомів. Оптичні спектри атомів залежать від того, чи перебувають атоми у вільному стані, чи входять до складу хімічних сполук. Це зумовлено тим, що оптичні лінійчасті спектри атомів визначаються поведінкою зовнішніх валентних електронів. При утворенні хімічних зв’язків стан валентних електронів змінюється, що проявляється на оптичних спектрах.
Характеристичне рентгенівське випромінювання виникає під час процесів, що відбуваються в глибинних, забудованих електронних оболонках атомів, які не змінюються, коли атом виявляється зв’язаним у хімічну сполуку.
У 1913 р. Г. Мозлі встановив важливу залежність між довжинами хвиль ліній характеристичного рентгенівського випромінювання і порядковим номером хімічних елементів, які є джерелами рентгенівського випромінювання. Закон Мозлі можна описати такою формулою:
де – хвильове число лінії; R’ — стала Рідберга, м -1 (або см -1 ); α і σ — деякі сталі, що характеризують серію ліній рентгенівського характеристичного спектра і речовину антикатода (анода). Для довжин хвиль ліній К α Мозлі дістав таке співвідношення:
Порівнюючи (15.34) і (15.33), маємо, що для цих ліній a = і σ = 1.
Застосування закону Мозлі до атомів хімічних елементів періодичної системи Д. І. Менделєєва підтвердило закономірне зростання електричного заряду ядра на одиницю при послідовному переході від одного елемента до іншого. Це стало переконливим доказом справедливості ядерної будови атома і періодичного закону Д. І. Менделєєва.
Рентгенівські промені мають велику проникну здатність, оскільки коефіцієнт поглинання їх незначний.
Поглинання рентгенівських променів залежить від густини речовини і довжини хвилі. Коефіцієнт поглинання пропорційний кубу атомного номера і обернено пропорційний кубу частоти (ν 3 ), тому легкі речовини істотно прозоріші для рентгенівських променів, ніж важкі. Оскільки частота коливань пропорційна напрузі, прикладеній до рентгенівської трубки, то, отже, чим вища ця напруга, тим більш проникними, тобто більш жорсткими, стають рентгенівські промені.
Таким чином, рентгенівські промені широко застосовуються для просвічування тіл у медицині, металургії, машинобудуванні та інших галузях науки і техніки.
Для просвічування більш щільних речовин застосовуються рентгенівські апарати більш високої напруги (200 кВ і більше). Для просвічування різних частин людського тіла застосовуються рентгенівські трубки з напругами на них від 30 до 60 кВ.
Використовуючи сайт ви погоджуєтесь з правилами користування
Віртуальна читальня освітніх матеріалів для студентів, вчителів, учнів та батьків.
Наш сайт не претендує на авторство розміщених матеріалів. Ми тільки конвертуємо у зручний формат матеріали з мережі Інтернет які знаходяться у відкритому доступі та надіслані нашими відвідувачами.
Якщо ви являєтесь володарем авторського права на будь-який розміщений у нас матеріал і маєте намір видалити його зверніться для узгодження до адміністратора сайту.
Ми приєднуємось до закону про авторське право в цифрову епоху DMCA прийнятим за основу взаємовідносин в площині вирішення питань авторських прав в мережі Інтернет. Тому підтримуємо загальновживаний механізм “повідомлення-видалення” для об’єктів авторського права і завжди йдемо на зустріч правовласникам.
Копіюючи матеріали во повинні узгодити можливість їх використання з авторами. Наш сайт не несе відподвідальність за копіювання матеріалів нашими користувачами.
Фізика 11 клас
На початку 80-х років XIX ст. український фізик І. Пулюй провів серію експериментів із газорозрядними трубками власної конструкції. У праці «Промениста електродна матерія» (1880—1882) він описав і подав схему так званої рентгенівської трубки, що являла собою скляну трубку, всередині якої містилася під кутом слюдяна пластинка, вкрита сірчаним кальцієм; під пластиною розміщувався алюмінієвий диск, що відігравав роль катода. Пулюй використовував цю трубку як флуоресцентну трубку, але вона була потужним джерелом X-променів. Зазначимо, що цю трубку Пулюй сконструював у 1882 р.
У 1896 р. німецький вчений В. Рентген видав свою першу працю «Попереднє повідомлення», де подав 17 тез про Х-промені. До відкриття Рентгена трубками Пулюя користувалися фізики, але, на жаль, не було публікацій про виявлення за їх допомогою цих таємничих Х-променів. Згодом вони отримали назву — рентгенівське випромінювання. І. Пулюй стверджував про існування невидимих променів і наводив їх властивості, а саме, що вони виникають на стінках скляної трубки, куди потрапляють катодні промені; не заломлюються у призмах із різних матеріалів; не відхиляються магнітним полем.
Того ж року на місяць пізніше Пулюй публікує статті «Про походження рентгенівських променів та їх фотографічну дію», а також «Додаток до праці «Про походження рентгенівських променів та їх фотографічну дію». У цих двох працях Пулюй наводить важливі експериментальні дані, яких не можна було отримати за місяць після публікацій Рентгена. Цей факт свідчить про невтомну попередню багаторічну працю українського вченого у даній галузі досліджень. Пулюй першим встановив, що Х-промені викликають йонізацію газів, подав пояснення природи Х-променів, за допомогою власноручно сконструйованих газорозрядних трубок першим отримав знімки скелета людини.
Проводячи досліди з вакуумними двохелектродними трубками, в яких площина анода (А) не паралельна площині катода (К) (мал. 200), Рентген виявив, що, коли до електродів прикладена висока напруга, навпроти катода трубки спостерігається ряд явищ, які можна пояснити лише дією деякого нового (для того часу) випромінювання: свічення скла, потемніння розчину хлористого срібла, йонізація повітря тощо. Джерелом рентгенівського випромінювання виявився анод вакуумної двохелектродної трубки.
Відразу звернула на себе увагу проникна здатність рентгенівського випромінювання. Воно викликало згадані явища навіть у тому випадку, коли трубка екранувалася чорним папером, картоном та іншими матеріалами.
Поглинання рентгенівських променів речовиною виявилося залежним від густини речовини. Чим більша її густина, тим сильніше вона поглинає рентгенівські промені. Зокрема, м’які тканини організму людини поглинають рентгенівські промені слабше, ніж кістки. Це дозволило Рентгену зробити перший знімок кисті руки у відкритих їм невидимих променях (мал. 201).
На мал. 202 схематично показано пристрій сучасної рентгенівської трубки. У вакуумній трубці розташовані електроди: підігрівний катод і антикатод. Поверхня антикатода скошена, не паралельна поверхні катода. Катод приєднують до негативного, а антикатод до позитивного полюса джерела високої напруги. При цьому поверхня антикатода випускає пучок рентгенівських променів. Напрям випромінювання перпендикулярний до поверхні антикатода.
Природа рентгенівського випромінювання залишалася нез’ясованою до 1906 p., до того часу, поки не було відкрито його поляризацію. Пізніше, у 1912 p., німецькому фізикові М. Лaye вдалося виявити дифракцію рентгенівського випромінювання. Схема досліду Лaye наведена на мал. 203, а. Пучок рентгенівського випромінювання, виділеного діафрагмами D1 і
D2, проходячи крізь монокристал К, потрапляє на екран Е. На екрані спостерігається картина, зображена на мал. 203, б, яка отримала назву — лауеграма. Лауеграма нагадує дифракційну картину, яка спостерігалася при проходженні світла крізь дві схрещені (паралельно одна одній, але так, щоб їх щілини були взаємно перпендикулярні) дифракційні ґратки.
Утворення лауеграми можна пояснити таким чином. Монокристал являє собою для рентгенівських променів своєрідні дифракційні ґратки. Вузли кристалічної ґратки слугують перешкодами, а міжвузловини залишаються прозорими. Рентгенівське випромінювання дифрагує на кристалічній ґратці і утворює дифракційні максимуми і мінімуми. Таким чином було встановлено, що рентгенівське випромінювання має хвильову природу. Відкриття поляризації рентгенівського випромінювання вказувало на те, що рентгенівське випромінювання — це поперечні хвилі. Дослідження інших властивостей цього випромінювання підтвердило, що воно має електромагнітну природу. Рентгенівські промені виявилися електромагнітним випромінюванням, подібним до світлового, але зі значно меншою довжиною хвилі.
Вивчення дифракційних картин дозволило виміряти довжину хвилі рентгенівського випромінювання. Виявилось, що вона охоплює інтервал від 10-14 до 10-7 м.
Дослідження показали, що рентгенівське випромінювання виникає при гальмуванні речовиною антикатода швидких електронів, що випускаються катодом і розганяються електричним полем. При гальмуванні електронів їх кінетична енергія перетворюється на енергію випромінювання. Тому таке випромінювання називають гальмівним. Спектр гальмівного рентгенівського випромінювання є суцільним (мал. 204). З боку малих довжин хвиль він має різку межу.
Положення цієї межі залежить від прискорюючої напруги, тобто від енергії електронів: чим більша енергія електронів, тим менша відповідно до цієї межі довжина хвилі. Існування короткохвильової межі для гальмівного рентгенівського випромінювання легко пояснити, якщо допустити, що рентгенівське випромінювання, як і світлове, має квантовий характер, і енергія одного фотона Е = hv визначається кінетичною енергією Ek – eU одного електрона. При такому припущенні eU = hvmax, звідки
Отримана формула виключно точно підтверджена експериментально, що доводить правильність припущення про квантовий характер рентгенівського випромінювання.
Крім того, оскільки λmin і U можна дуже точно виміряти на досліді, а значення швидкості поширення світла і заряду електрона були з високою точністю визначені за допомогою спеціальних експериментів, цю формулу часто викоhистовують для визначення сталої Планка:
Всім відоме використання рентгенівського випромінювання для отримання знімків окремих органів людини з метою визначення захворювань органів людини, переломів кісток (рентгенодіагностика). Використовують рентгенівські промені також і для лікування злоякісних пухлин (рентгенотерапія). Проблеми використання λ-променів у медицині досліджував український вчений М. Пильчиков, який одним із перших почав застосовувати Х-промені для потреб медицини (просвічування та діагностики захворювань). Цікаво те, що у своїх дослідах Пильчиков використовував трубку Пулюя, вдосконаливши її. М. Пильчиков провів в Україні перші дослідження проблеми радіоактивності.
У техніці рентгенівськими променями просвічують деталі машин з метою виявлення в них можливих дефектів.
Виключно велике значення рентгенівського випромінювання для вивчення будови кристалів. Саме дифракційна картина, що утворюється при проходженні рентгенівських променів крізь кристали, містить найповнішу інформацію про їх будову. За дифракційною картиною визначені основні константи кристалічних ґраток.
У 1971 р. була виявлена зірка, що дає електромагнітне випромінювання в рентгенівському діапазоні. На сьогодні у Всесвіті вже виявлено понад 200 джерел рентгенівського випромінювання, крім того, існує так зване фонове рентгенівське випромінювання, що приходить на Землю з усіх ділянок неба. Космічне рентгенівське випромінювання несе цікаву і нову інформацію про процеси у Всесвіті.
Задачі та вправи
Розв’язуємо разом
1. Атом випромінив фотон. Чи змінилася від цього швидкість атома?
де т — маса атома, v — частота кванта, як наслідок за законом збереження імпульсу.
2. З’ясуйте, який спектр і чому виникне у газі при рекомбінаціях позитивних йонів з вільними електронами.
Суцільний. Не зв’язані з атомом електрони до рекомбінації можуть мати будь-яку кінетичну енергію. Рекомбінуючи, вони випромінюють фотони найрізноманітніших енергій — суцільний спектр.
Спектр рентгенівського випромінювання за будь-яких напруг у короткохвильовій частині різко обривається. Поясніть цю особливість.
Коли електрон всю свою кінетичну енергію витрачає на випромінювання, то
де λm— короткохвильова межа спектра. У деяких електронів частина їх
енергії переходить у внутрішню енергію анода та інші види. Ці електрони стають джерелом рентгенівського випромінювання з довжинами хвиль λ > λm