Фізика 11 клас

АТОМНА І ЯДЕРНА ФІЗИКА

 

Розділ 5 Атомна і ядерна фізика

 

§ 47. РЕНТГЕНІВСЬКЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ

 

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.

 

Мал. 200

 

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

 

 

Мал. 201

 

 

Мал. 202

 

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.

 

 

Мал. 203

 

 

Мал. 204

 

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

Оскільки

то

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?

Розв’язання

Змінилась на

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.

Розв’язання

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.

Розв’язання

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



Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити