Номер 3, страница 135 - гдз по физике 11 класс учебник Башарулы, Шункеев

3. Как получают на практике рентгеновское излучение? За счет чего разгоняются электроны между катодом и анодом в рентгеновских трубках?

На практике рентгеновское излучение получают в рентгеновских трубках. Это вакуумные приборы, состоящие из двух основных электродов: катода и анода (также называемого антикатодом). Процесс получения излучения включает несколько этапов:

1. Эмиссия электронов: Катод, представляющий собой вольфрамовую спираль, нагревается электрическим током. При достижении высокой температуры (около 2500°C) происходит явление термоэлектронной эмиссии, в результате которого с поверхности катода испускается поток свободных электронов.

2. Ускорение электронов: Между катодом и анодом прикладывается высокое постоянное напряжение (от десятков до сотен киловольт). Катод является отрицательным полюсом, а анод — положительным. В результате в пространстве между ними создается сильное электрическое поле.

3. Взаимодействие с анодом: Электроны, ускоренные этим полем, приобретают огромную кинетическую энергию и с большой скоростью ударяются о поверхность анода. Анод изготавливается из тугоплавкого металла с большим атомным номером (например, вольфрам, молибден), чтобы выдерживать высокие тепловые нагрузки и эффективно генерировать рентгеновское излучение.

4. Генерация рентгеновского излучения: При резком торможении электронов в материале анода их кинетическая энергия преобразуется в основном в тепло (около 99%) и лишь малая часть (около 1%) — в энергию рентгеновских фотонов. Возникает два вида излучения:

• Тормозное излучение: Образуется, когда летящий электрон замедляется в сильном электрическом поле атомного ядра вещества анода. Электрон изменяет свою траекторию и теряет часть кинетической энергии, которая излучается в виде фотона (кванта). Поскольку степень торможения может быть разной, возникает излучение с непрерывным (сплошным) спектром энергий.
• Характеристическое излучение: Возникает, если энергия налетающего электрона достаточна, чтобы выбить электрон с одной из внутренних электронных оболочек атома анода (например, K- или L-оболочки). Образовавшаяся вакансия заполняется электроном с более высокой (внешней) оболочки. Этот переход сопровождается испусканием рентгеновского фотона, энергия которого строго определена и равна разности энергий между двумя оболочками. Поэтому данный вид излучения имеет линейчатый спектр, который является уникальной характеристикой материала анода.

Разгон электронов между катодом и анодом в рентгеновских трубках происходит за счет действия сильного электростатического поля. Это поле создается путем приложения высокого ускоряющего напряжения $U$ между электродами. Электрон, имеющий отрицательный заряд $e$, испытывает действие силы Кулона $F = eE$ (где $E$ — напряженность электрического поля), которая направлена от отрицательного катода к положительному аноду. Под действием этой силы электрон движется с ускорением. Работа $A$, которую совершает электрическое поле над электроном на пути от катода к аноду, полностью переходит в его кинетическую энергию $E_k$. Эта работа равна $A = eU$. Таким образом, кинетическая энергия, которую приобретает электрон, прямо пропорциональна приложенному напряжению: $E_k = eU$.

Ответ: Рентгеновское излучение на практике получают в рентгеновских трубках путем бомбардировки металлического анода потоком электронов, испущенных катодом и ускоренных сильным электрическим полем. Разгон электронов между катодом и анодом осуществляется за счет действия электростатического поля, создаваемого высоким ускоряющим напряжением, приложенным между ними.