Номер 2, страница 135 - гдз по физике 11 класс учебник Башарулы, Шункеев

2. Какова природа рентгеновского излучения? Каков механизм возникновения тормозного и характеристического рентгеновских излучений?

Природа рентгеновского излучения

Рентгеновское излучение — это вид электромагнитного излучения. В шкале электромагнитных волн оно занимает область между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением. Длины волн рентгеновского излучения лежат в диапазоне приблизительно от $10^{-12}$ до $10^{-8}$ метра (от 10 пикометров до 10 нанометров), что соответствует диапазону частот от $3 \times 10^{16}$ до $3 \times 10^{19}$ Гц.

Как и любое электромагнитное излучение, рентгеновское излучение обладает корпускулярно-волновым дуализмом: оно проявляет как волновые свойства (например, дифракция на кристаллических решетках, интерференция), так и корпускулярные. Квант рентгеновского излучения называется рентгеновским фотоном. Энергия этих фотонов достаточно велика, что обусловливает основные свойства излучения: высокую проникающую способность (особенно через материалы с низким атомным номером) и сильное ионизирующее действие на вещество.

Ответ: Рентгеновское излучение — это электромагнитные волны с длиной волны от $10^{-12}$ до $10^{-8}$ м, обладающие высокой энергией, проникающей способностью и ионизирующим действием. Оно имеет электромагнитную природу и проявляет свойства как волн, так и частиц (фотонов).

Механизм возникновения тормозного и характеристического рентгеновских излучений

При взаимодействии быстрых заряженных частиц (обычно электронов) с веществом возникают два типа рентгеновского излучения, имеющие разную природу и спектральные характеристики: тормозное и характеристическое.

Тормозное излучение

Тормозное излучение (от нем. Bremsstrahlung — «тормозное излучение») возникает, когда летящий с большой скоростью электрон резко тормозится в кулоновском поле атомного ядра вещества-мишени (анода). При этом замедлении электрон теряет часть своей кинетической энергии, которая излучается в виде фотона. Энергия этого фотона может принимать любое значение от нуля до полной кинетической энергии налетающего электрона, так как степень торможения может быть разной. Это приводит к тому, что тормозное излучение имеет сплошной (непрерывный) энергетический спектр. Максимальная энергия фотона (и, соответственно, минимальная длина волны) определяется кинетической энергией электрона, которая зависит от ускоряющего напряжения $U$ в рентгеновской трубке. Этот предельный случай, когда вся кинетическая энергия электрона $E_k = eU$ переходит в энергию одного фотона, описывается формулой Дуэйна-Ханта для минимальной длины волны:

$\lambda_{min} = \frac{hc}{eU}$,

где $h$ — постоянная Планка, $c$ — скорость света, $e$ — заряд электрона.

Ответ: Тормозное излучение возникает в результате замедления быстрых электронов в электрическом поле атомных ядер мишени. Потерянная электронами кинетическая энергия излучается в виде фотонов. Спектр этого излучения является сплошным.

Характеристическое излучение

Характеристическое излучение имеет дискретный (линейчатый) спектр и возникает при другом механизме. Если энергия налетающего электрона достаточна, он может выбить один из электронов с внутренних электронных оболочек атома мишени (например, с K- или L-оболочки). В результате в атоме образуется вакансия, и он переходит в возбужденное, неустойчивое состояние. Для возвращения в стабильное состояние электрон с одной из вышележащих, более высоких по энергии, оболочек (например, L- или M-оболочки) «падает» на образовавшуюся вакансию. Разность энергий между этими двумя оболочками излучается в виде одного рентгеновского фотона. Энергия этого фотона строго определена и равна разности энергий уровней, между которыми произошел переход:

$E_{фотона} = h\nu = E_{верхн} - E_{нижн}$.

Поскольку энергетические уровни в атоме дискретны и уникальны для каждого химического элемента, то и энергии испускаемых фотонов строго определены. Это приводит к появлению в спектре рентгеновского излучения на фоне сплошного тормозного спектра узких интенсивных линий (пиков). Положение этих линий в спектре является характеристикой вещества анода, откуда и пошло название излучения.

Ответ: Характеристическое излучение возникает, когда электрон с внешней оболочки атома мишени переходит на вакантное место во внутренней оболочке, предварительно освобожденное быстрым электроном. При этом испускается фотон с энергией, равной разности энергий этих оболочек. Спектр этого излучения является линейчатым и уникален для каждого элемента.