Глава 7. Ионизирующие излучения.
Материалы к семинару.
7.1. Рентгеновское излучение: общая характеристика.
На шкале электромагнитных волн (рис. 1) условной границей между ультрафиолетовым и рентгеновским излучением принято считать значение длины волны λ = 80 нм. Это на один порядок (примерно в 10 раз) меньше, чем длина световой волны. Следовательно, частота рентгеновского излучения в десять раз больше, чем видимого света даже в начале рентгеновского диапазона. Энергию рентгеновского кванта на «пограничной» длине волны
λ = 80 нм определим по формуле Планка:
Е = hν = hc / λ (7.1)
Здесь h = 6,62·10-34 Дж с – постоянная Планка;
ν – частота электромагнитного (э/м) излучения;
с = 3·108 м/с – скорость света в вакууме; такова скорость всех э/м
излучений;
λ = сТ = с/ν – длина волны излучения;
Т – период э/м колебаний – длительность цикла колебаний.
Подстановка этих данных в (1) дает «пограничное» значение энергии кванта:
Е = (6,62·10-34 Дж·с · 3·108 м/с) / 80·10-9 м = 25·10-19 Дж
Рис. 1. Шкала электромагнитных волн.
В атомной и ядерной физике вместо джоуля обычно применяют внесистемную энергетическую единицу – электронвольт (эВ)
Один электронвольт (1эВ) – это энергия, которую приобретает электрон, пройдя в ускоряющем электростатическом поле промежуток между точками, имеющими разность потенциалов в один вольт (1В).
Электрический заряд q при прохождении ускоряющей разности потенциалов ΔU приобретает энергию:
Е = q ΔU. (7.2)
Подставляя сюда заряд электрона q = 1,6·10-19 Кл и ускоряющую разность потенциалов ΔU = 1В, получаем: 1 эВ = 1,6·10-19 Дж. Следовательно, условная энергетическая граница рентгеновского диапазона: Е = 25·10-19 Дж = 16 эВ. Так что рентгеновское излучение – это электромагнитное излучение, имеющее длину волны λ ≤ 80 нм и энергию квантов Е ≥ 16 эВ.
Различают мягкое и жесткое рентгеновское излучение. Условная граница между ними: λ = 0.2 нм, Е= 6000 эВ = 6 кэВ.
На рис.1 в правой части шкалы на длинах волн λ˂0,05 нм находится участок шкалы, принадлежащий и рентгеновскому, и гамма-излучению. Кванты этих видов излучений, имеющие одинаковую длину волны и частоту, абсолютно одинаковы. Их отличает только происхождение: рентгеновское излучение возникает при взаимодействии быстрых электронов с электронами вещества, а гамма-излучение – результат процессов, происходящих в ядрах атомов.
Природными источниками рентгеновского излучения являются солнце, звезды, черные дыры. Рентгеновское излучение, возникающее за пределами Земли и ее атмосферы, земной поверхности не достигает. Изучение Вселенной в рентгеновском диапазоне производится с помощью спутниковых рентгеновских телескопов.
Рентгеновское излучение было открыто в 1895 году немецким физиком Вильгельмом Рентгеном при экспериментах с катодными лучами. Катодные лучи – поток быстрых электронов. Он создавал их с помощью катодной трубки – вакуумированного стеклянного сосуда с двумя электродами, один из которых – катод – имел электрический подогрев (термоэлектронная эмиссия)и был источником катодных лучей. Целью экспериментов было изучение свойств катодных лучей. Неизученным в них оставалось еще многое: достаточно сказать, что открытие элементарной частицы «электрон» состоялось позднее, в 1897 году.
Рентген обнаружил, что торможение катодных лучей в материале катодной трубки сопровождается появлением за пределами трубки ранее неизвестного излучения, названного им икс-лучами. Это название – x-rays – применяется и поныне в большинстве западных стран. Открытие состоялось случайно, по люминесцентному свечению экрана с нанесенными на него кристаллами платино-синеродистого бария, оказавшегося вблизи катодной трубки (см. определение случайного события во второй, математической части пособия).
Надо заметить, что эти x-rays намекали о своем существовании еще за восемь лет до опытов Рентгена, в опытах таких известных людей, как Никола Тесла и Генрих Герц, которые, однако, не оценили эти излучения по достоинству и информацию о них не опубликовали. Рентген вплотную занялся исследованием открытого им излучения (в России и ряде других стран оно называется рентгеновским). Он, в частности, изменил конструкцию катодной трубки, сделав ее анод более эффективным для торможения катодных лучей. Катодная трубка, усовершенствованная Рентгеном, стала называться рентгеновской трубкой и широко применяется как источник рентгеновского излучения (схема рис. 2).
За год работы Рентген установил, что открытые им лучи, в отличие от катодных, не отклоняются ни в электрическом, ни в магнитном поле, не отражаются и не преломляются при входе в преграду. Проходят через многие непрозрачные материалы. При этом их проникающая способность зависит не только от толщины преграды, но и от свойств материала. Глаза на это излучение не реагируют, но наблюдалась засветка фотоматериалов и были получены фотографии в проходящем излучении. Икс-лучи вызывают люминесценцию ряда материалов и ионизацию воздуха.
Достарыңызбен бөлісу: |
