Рентгенівське випромінювання і його практичне застосування

Тема: Відкриття рентгенівського проміння. Властивості рентгенівського проміння та його використання. Шкала електромагнітних хвиль

Запитання для самоперевірки

1. Побудуйте схему енергетичних рівнів атома водню і поясніть механізм утворення спектральних ліній.

2. Як називають серію спектральних ліній у спектрі випромінювання атома водню?

3. Запишіть формулу, що дозволяє обчислити частоту будь-якої спектральної лінії в спектрі випромінювання атома водню.

4. Чому дорівнює стала Рідберга?

5. У якому випадку атом випромінює квант електромагнітної енергії, а в якому поглинає її?

6. За якою формулою визначають частоту поглинання світла?

7. Що називають спектром випромінювання?

8. Які види спектрів випромінювання ви знаєте? У яких співвідношеннях знаходяться речовини, що випромінюють ці спектри?

9. Що називають спектром поглинання? Зобразіть схему досліду з проходження світла через пари натрію і тригранну призму. Який результат цього досліду і про що він свідчить?

10. Що називають спектральним аналізом? На чому він грунтується?

11. Що таке лазер?

12. Яке випромінювання називають спонтанним і чому воно є некогерентним?

13. Виконайте рисунок і поясніть процес утворення вимушеного випромінювання. Яке випромінювання називають вимушеним або індукованим?

14. Поясніть принцип дії лазера. Поясніть графічно процес отримання вимушеного випромінювання за трирівневою системою.

15. Поясніть принцип дії рубінового лазера.

16. Які типи лазерів ви знаєте і в якому режимі вони працюють?

В 1895 р. німецький фізик В. Рентген знайшов, що з трубки, в якій створюється катодне проміння, випускаються ще і невідоме проміння, проникаюче через скло, повітря, а також багато тіл, непрозорих для звичайного світла. Це проміння надалі було назване рентгенівськими.

Саме рентгенівське проміння невидиме, але викликає свічення багатьох речовин і сильно діє на фоточутливі матеріали. Тому для їх дослідження застосовують спеціальні екрани, що світяться під дією рентгенівського проміння. Завдяки цій властивості вони і були знайдені Рентгеном.

Рентгенівське випромінювання виникає при гальмуванні електронів, що швидко летять. Електронів, що навколо летять, існує магнітне поле, оскільки рух електрона є електричним струмом. При різкому гальмуванні електрона у момент удару об перешкоду магнітне поле електрона швидко змінюється і в просторі випромінюється електромагнітна хвиля, довжина якої тим менше ніж більше швидкість електрона до удару об перешкоду. Рентгенівське випромінювання одержують за допомогою спеціальних електродних ламп, на які подається висока напруга, порядку 50—200 кВ. Електрони, що випускаються розжареним катодом рентгенівської трубки, швидшають сильним електричним полем в просторі між анодом і катодом і з великою швидкістю ударяються об анод. При цьому з поверхні анода випускається рентгенівське випромінювання, що виходить крізь скло трубки назовні. Гальмівне випромінювання рентгенівської трубки має суцільний спектр.

Рентгенівські трубки з розжареним катодом самі є випрямлячами, і їх можна живити змінним струмом.

Якщо електрони в прискорюючому полі набувають достатньо високу швидкість, щоб проникнути всередину атома анода і вибити один з електронів його внутрішнього шару, то на його місце переходить електрон з більш видаленого шару з випромінюванням кванта великої енергії. Таке рентгенівське випромінювання має строго певні довжини хвиль, характерні тільки для даного хімічного елемента, тому воно називається характеристичним.

Характеристичне випромінювання має лінійчатий спектр, що накладається на суцільний спектр гальмівного випромінювання. При збільшенні порядкового номера елемента в таблиці Менделєєва рентгенівський спектр випромінювання його атомів зсовується у бік коротких довжин хвиль. Легкі елементи (наприклад, алюміній) взагалі не дають характеристичного рентгенівського випромінювання. Рентгенівське випромінювання прийнято розрізняти по його жорсткості: чим коротше довжина хвилі рентгенівського випромінювання, тим воно вважається більш жорстким. Найжорсткіше рентгенівське випромінювання випускається важкими атомами.

Важливою особливістю рентгенівського випромінювання є його висока проникаюча здатність по відношенню до багатьох речовин, не прозорих для видимого світла. Чим жорсткіше рентгенівське випромінювання, тим слабше воно поглинається і тим вище його проникаюча здатність. Поглинання рентгенівського випромінювання в речовині залежить ще від його атомного складу: сильно поглинають рентгенівське випромінювання атоми важких елементів, до складу яких би хімічних речовин вони ні входили.

Як і будь-які електромагнітні хвилі, рентгенівське випромінювання не відхиляється в електричному і магнітному полях. Показник заломлення рентгенівського випромінювання дуже мало відрізняється від одиниці, і воно майже не випробовує заломлення при переході з одного середовища в інше. Ця властивість рентгенівського випромінювання в поєднанні з його високою проникаючою здатністю використовується у ряді практичних застосувань.

Якщо помістити між джерелом рентгенівського випромінювання і екраном, що світиться під його дією, яке-небудь тіло, то на екрані з'явиться темне зображення цього тіла. Якщо усередині однорідного тіла є порожнину, то на екрані відповідне місце буде більш світлим. Це явище використовується для виявлення внутрішніх дефектів виробів (дефектоскопія). При просвічуванні неоднорідного по молекулярному складу тіла різні його частини неоднаково поглинатимуть рентгенівське випромінювання, і на екрані ми побачимо контури цих частин. Так, просвічувавши руку, ми ясно бачимо на екрані, що світиться, темне зображення кісток (мал. 34.18).

Часто замість того щоб використовувати екран, що світиться, виявляється зручніше робити рентгенівські знімки. Для цього досліджуване тіло поміщається між рентгенівською трубкою і закритою касетою з фотоплівкою, і через нього протягом короткого проміжку часу пропускається рентгенівське випромінювання. Після зйомки фотоплівка виявляється звичайним способом. Рентгенівське випромінювання широко застосовується в медицині: в діагностиці різних захворювань (туберкульоз і ін.), при визначенні характеру перелому кісток, для виявлення в тілі чужорідних предметів (наприклад, застряглої кулі) і т.д. Рентгенівське випромінювання шкідливо діє на розвиток кліток. Це використовується при лікуванні злоякісних пухлин. Проте з цієї ж причини тривала або дуже інтенсивна дія на організм рентгенівського випромінювання, особливо жорсткого, викликає важкі захворювання.

Довгий час після відкриття рентгенівського випромінювання не вдавалося знайти прояву його хвильових властивостей — спостерігати дифракцію і зміряти л. Всі спроби використовувати дифракційні грати, призначені для вимірювання довжин світлових хвиль, не давали ніяких результатів. В 1912 р. німецький фізик М. Лауэ запропонував використовувати для отримання дифракції рентгенівського випромінювання природні кристалічні грати. Досліди показали, що вузький пучок рентгенівського випромінювання, пройшовши через кристал, дає на екрані або фотоплівці складну дифракційну картину у вигляді групи плям (мал. 34.19; З — рентгенов-?ская трубка, Д — діафрагми, До — кристал, Е — екран).

Вивчення дифракційної картини, отриманої при использо-рании кристала кам'яної солі, дозволило визначити довжину хвилі рентгенівського випромінювання, оскільки відстань між вузлами цих кристалічних грат була відома. Виявилося, що довжина хвилі рентгенівського випромінювання, використаного в цьому досвіді, складає декілька десятих часток нанометра. Подальші дослідження показали, що рентгенівське випромінювання має довжину хвилі від 10 до 0,01 нм. Таким чином, навіть м'яке рентгенівське випромінювання має довжини хвиль в десятки і сотні раз більш короткі, ніж у видимого світла. Звідси ясно, чому не можна було використовувати дифракційні грати: довжини хвиль рентгенівського випромінювання дуже малі для них, і дифракція не виникає. Відстань же між вузлами граток в природних кристалах близька до довжин хвиль рентгенівського випромінювання, тобто кристали можуть служити для них «готовими дифракційними гратками».

Досліди Лауе показали, що рентгенівське випромінювання є електромагнітними хвилями. Дифракція рентгенівського випромінювання використовується для визначення його довжин хвиль (рентгенівський спектральний аналіз) і, навпаки, пропускаючи рентгенівське випромінювання відомої довжини хвилі через досліджуваний кристал, по дифракційній картині можна встановити взаємне розташування атомів і відстань між ними в кристалічних гратках (рентгеноструктурний аналіз).

Дата добавления: 2014-12-07