Рентгеновское излучение

Рентгеновское излучение было открыто немецким физиком В. Рентгеном (в 1895 году).

Схема действия рентгеновской трубки Первая рентгенограмма.

Его имя увековечено и в некоторых других физических терминах, связанных с этим излучением: рентгеном называется международная единица дозы ионизирующего излучения; снимок, сделанный в рентгеновском аппарате, называется рентгенограммой; область радиологической медицины, в которой используются рентгеновские лучи для диагностики и лечения заболеваний, называется рентгенологией. Рентгеновское излучение возникает при взаимодействии электронов, движущихся с большими скоростями, с веществом (с анодом рентгеновской трубки). Когда электроны соударяются с атомами какого-либо вещества, они быстро теряют свою кинетическую энергию. При этом большая ее часть переходит в тепловую энергию, а небольшая доля, обычно менее 1%, преобразуется в энергию рентгеновского излучения. Рентгеновское излучение получается в рентгеновской трубке, принципиальная схема действия которой представлено на рисунке вместе с первой рентгенограммой кисти руки. С горячего катода трубки эмиссируют электроны, которые ускоряются электрическим полем U_а и тормозятся на аноде. Возникает тормозное рентгеновское излучение.

По закону сохранения и превращения энергии электрона, можно записать:

eU = mv²/2; mv²/2 => излучение (1%). eU = W_{тепловая}+ W_фотона; W_{фотона =} hν; Следовательно: eU ≥ hν; hν_max = eU;

hc/λ_min = eU.

Спектр тормозного рентгеновского излучения сплошной (белый). Должен существовать «обрыв» спектра со стороны коротких длин волн λ_min. (см. рисунок).

.

Слева - РЕНТГЕНОВСКИЙ СПЕКТР состоящий из непрерывного спектра, создаваемого электронами при их торможении в материале анода рентгеновской трубки и линий характеристического рентгеновского излучения, возникающих вследствие взаимодействий ускоренных электронов с электронами внутренней оболочки атомов. Справа – рентгенограмма (дифракционная картина), полученная от кристаллической структуры с симметрией оси 6-го порядка(поворот на 60^о).

Дифракция рентгеновских лучей на кристаллах позволяет определить атомную структуру кристаллов. Этот метод называется рентгеновсим структурным анализом.

Лекция 23. Волновые свойства микрочастиц. Принцип неопределенности

План лекции:

1. Рассмотреть гипотезу де Бройля;

2. Ввести волновую функцию состояния микрообъектов;

3. Дать понятие и формулу соотношения неопределенности Гейзенберга.

Соотношение неопределенностей.

Рассмотрим идеализированную схему дифракции электронов на одной щели.

На рисунке выделены неопределенности Δх в координате электрона при прохождении щели и неопределенности Δр_х в величине импульса. Как оказалось, соотношения между ними привели к созданию квантовой механики.

Волновые свойства электронов получили применение при создании современных электронных микроскопов.

Зондовая Нанолаборатория ИНТЕГРА 1 – базовый блок; 2 – измерительная головка; 3 – система виброизоляции; 4 – система видеонаблюдения.

Лекция 24. Физика атомов и молекул. Атом Резерфорда-Бора

План лекции:

1. Определим составные части атома.

2. Обсудим эксперимент Томсона по определению отношения заряда к массе электрона.

3. Рассмотрим опыты Резерфорда и структуру атома водорода по Бору

4. Построим энергетические уровни атома водорода.

Историю возникновения самых общих представлений об атоме обычно ведут со времен греческого философа Демокрита (около 370 до н. э.), много размышлявшего о наименьших частицах, на которые можно было бы поделить любое вещество. Группу греческих философов, придерживавшихся того взгляда, что существуют подобные крошечные неделимые частицы, называли атомистами. Греческий философ Эпикур (около 342 до н.э.) принял атомную теорию, и в первом веке до н.э. один из его последователей, римский поэт и философ Лукреций Кар, изложил учение Эпикура в поэме "О природе вещей", благодаря которой оно и сохранилось для следующих поколений.

Первым действительно научным обоснованием атомистической теории, убедительно продемонстрировавшим рациональность и простоту гипотезы о том, что всякий химический элемент состоит из мельчайших частиц, явилась работа английского школьного учителя математики Дж.Дальтона, статья которого, посвященная этой проблеме, появилась в 1803г. Дальтон изучал свойства газов, в частности отношения объемов газов, вступавших в реакцию образования химического соединения, например, при образовании воды из водорода и кислорода. Он установил, что отношения прореагировавших количеств водорода и кислорода всегда представляют собой отношения небольших целых чисел. Массы кислорода, реагирующие с одной и той же массой водорода при образовании этих двух соединений, соотносятся между собой как небольшие числа: 16:32 = 1:2. На основе подобных результатов Дальтон сформулировал свой "закон кратных отношений". Согласно этому закону, если два элемента соединяются в разных пропорциях, образуя разные соединения, то массы одного из элементов, соединяющиеся с одним и тем же количеством второго элемента, соотносятся как небольшие целые числа. По второму закону Дальтона, "закону постоянных отношений", в любом химическом соединении соотношение масс входящих в него элементов всегда одно и то же. Большое количество экспериментальных данных, относящихся не только к газам, но также и к жидкостям и твердым соединениям, собрал Берцелиус, который провел точные измерения реагирующих масс элементов для многих соединений. Многочисленные опытные данные Берцелиуса подтвердили сформулированные Дальтоном законы и убедительно продемонстрировали наличие у каждого элемента наименьшей единицы массы.

Однако реальная структура атомов, в том числе и существование еще меньших частиц, составляющих атомы, оставалась неясной до открытия Дж.Дж.Томсоном электрона в 1897 году. Схема опыта изображена на рисунке.

СХЕМА ОПЫТА ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ОТНОШЕНИЯ ЗАРЯДА К МАССЕ ЭЛЕКТРОНА. Трубка, использованная английским физиком Томсоном для определения отношения заряда к массе для катодных лучей. Эти опыты привели к открытию электрона.

Электрическая сила F_Э действующая на заряд e со стороны электрического поля E, дается выражением F_Э= eE. Кроме того, в той же области трубки с помощью пары катушек с током могло создаваться магнитное поле, способное отклонять электроны в противоположном направлении. Сила F_М (сила Лоренца) действующая со стороны магнитного поля В, пропорциональна индукции магнитного поля, скорости частицы v и ее заряду e: F_М = Вev.

Этих двух соотношений оказалось достаточно для определения отношения заряда к массе частицы.

Еще раньше, Фарадеем в опытах по электролизу было обнаружено существование ионов с положительным и отрицательным зарядом, кратным некоторой величине. После опытов Томсона было доказано, что эта величина совпадает с зарядом электрона. Поэтому электрически нейтральный атом должен состоять из иона и электрона.

Окончательно, строение атома было открыто в опытах Резерфорда по рассеиванию положительно заряженных α-частиц на тонкой металлической фольге из золота. Рассеивание показало, что в атомах должно существрвать массивное положительное ядро малых размеров.

Схема опытов Резерфорда приведена на рисунке.

Схема опытов Резерфорда

Для проверки распределения зарядов в атоме, Резерфордом был поставлен эксперимент по рассеянию частиц, пролетающих сквозь мишень. В качестве мишени была взята тонкая золотая фольга. Результаты подтвердили существование ядерной модели. В то же время, основываясь на классических законах механики и электродинамики, устойчивость такого атома должна быть недолговечной. Действительно, движение по окружности должно происходить с изменением скорости – направление движения все время меняется, а изменение скорости ведет к ускорению. Для планетарных систем и спутников такое движение может быть и устойчивым, но электрон – это не планета, он имеет заряд а неравномерное движение заряда равносильно переменному току или меняющемуся во времени электрическому полю. Порождается электромагнитная волна, которая уносит энергию в окружающее пространство. Так как эта энергия была порождена за счет движения электрона, то его кинетическая энергия должна убывать, скорость движения должна уменьшаться и электрон должен «упасть» на ядро. Атом прекращает свое существование. Его размеры становятся практически размерами ядра, которые оценивались по результатам опыта Резерфорда радиусом 10^-15м.

Необычные свойства вещества в микромире потребовали и нового способа описания микрочастиц. Вначале, Планк создал квантовую теорию электромагнитного излучения, заменив волну на поток квантов (порций) с энергией E_γ = hν (h - постоянная Планка, а ν -частота излучения света). Затем Эйнштейн на основе этой теории объяснил необычные законы фотоэффекта и ввел для этого представление о реальной частице, которая была названа фотоном. Далее Нильс Бор использовал квантовую модель для объяснения процессов поглощения и излучения энергии атомами, то есть объяснил, каким образом «рождаются» кванты излучения – фотоны при переходе атомов из одного состояния в другое.

Теория Бора базируется на трех основных постулатах:

1. В атомной системе существуют такие стационарные состояния, находясь в которых атом не поглощает и не излучает эне6ргии;

2. Излучение и поглощение энергии при перехода атома из одного стационарного состояния в другое происходит порциями hν = ΔE.

3. Движение электрона происходит по разрешенным орбитам, момент импульса электрона, при этом, кратен целому числу ћ: mvr_n = nћ, где n - квантовое число, равное 1, 2, 3, 4, ….

Для расчета величин энергии, радиуса орбиты и скорости движения электрона в атоме водорода решается система уравнений:

1. Второй закон Ньютона: mv²/r = k e²/r²;

2. Правило квантования момента импульса: mv_nr_n = nћ;

3. Полная энергия системы: E_n=mv²/2 – ke²/r.

Решая систему уравнений, получаем: E_n = - 1/n² (me⁴/8ε₀²h²).

Расчет энергий состояний, в которых могут находиться атомы водорода, полностью объяснил эксперименты по спектральному анализу. Вот эти состояния (см.рисунок), которые нумеруются главным квантовым числом n, и их энергии, определяемые по формуле:

E _n = E ₁ / n ²; где E ₁ – отрицательная величина.

Рисунок. Схема энергетических уровней атома водорода

серия Лаймана серия Бальмера

ΔЕ = Е_m - Е_n = hν (закон сохранения и превращения энергии).

Атом Фотон

Изменение энергии при переходе атома из одного состояния в другое «порождает» фотон, и наоборот, поглощенный фотон приводит атом в возбужденное состояние с большей энергией. Возбужденное состояние длится недолго, около 10^-8с и атом, самопроизвольно, (или под действием другого фотона с той же энергией, при которой происходило возбуждение), возвращается обратно. Если атом возвращается обратно под действием фотона, поглощенного возбужденным атомом, то в результате появляются два фотона, согласованных друг с другом. Эти два могут быть поглощены еще раз возбужденным атомом, тогда излучается уже три фотона и т.д. Такой процесс, теоретически предсказанный Эйнштейном, называется индуцированным (наведенным) и используется при создании лазеров.

На этой стадии процесса изучения строения атома оставалось невыясненным, как движется электрон в атоме? На этот вопрос ответила зарождающаяся в это время квантовая механика.

Лекция 25. Современные представления о строении атома. Квантовая механика и уравнение Шредингера.

План лекции:

1. Рассмотрим подход квантовой физики к строению атомов и молекул. Запишем стационарное уравнение Шредингера. Введем квантовые числа.

2. Рассмотрим индуцированное излучение лазеров.

3. Объясним природу характеристического излучения.

Стационарное уравнение Шредингера.

Спонтанное и индуцированное излучение. Лазеры.

Получение индуцированного излучения в гелий-неоновом лазере

представлено на рисунке.

Рентгеновское характеристическое излучение.

Лекция 26. Физика атомного ядра. Строение ядра. Радиоактивность. Ядерные реакции.

План лекции:

1. Рассмотрим экспериментальные методы в ядерной физике.

2. Рассмотрим строение ядра и явление радиоактивности

3. Приведем примеры важных ядерных реакций.

Дата добавления: 2013-12-13