Номер 5, страница 155 - гдз по физике 11 класс учебник Туякбаев, Насохова

5. Что вы знаете о рентгеновских лучах?

Решение:

Определение и природа

Рентгеновские лучи – это вид электромагнитного излучения, невидимого для человеческого глаза. В шкале электромагнитных волн они занимают диапазон между ультрафиолетовым излучением и гамма-лучами. Длина волны рентгеновского излучения составляет от $10^{-12}$ до $10^{-8}$ метра (от 0.01 до 10 нанометров), а соответствующий диапазон частот – от $3 \cdot 10^{16}$ до $3 \cdot 10^{20}$ Гц. Энергия фотонов рентгеновского излучения лежит в диапазоне от 100 эВ до нескольких сотен кэВ.

Открыты они были в 1895 году немецким физиком Вильгельмом Конрадом Рентгеном, который и назвал их X-лучами (икс-лучами), подчеркивая их неизвестную на тот момент природу. По своей природе рентгеновские лучи являются потоком фотонов высокой энергии.

Свойства рентгеновских лучей

Рентгеновское излучение обладает рядом уникальных свойств:

– Высокая проникающая способность: лучи могут проходить сквозь непрозрачные для видимого света материалы. Степень поглощения зависит от плотности и атомного номера вещества. Например, кости, содержащие кальций (тяжелый элемент), поглощают рентгеновские лучи сильнее, чем мягкие ткани, состоящие из легких элементов (водород, углерод, кислород), что и позволяет получать изображения скелета.

– Ионизирующая способность: обладая высокой энергией, фотоны рентгеновского излучения способны выбивать электроны из атомов и молекул вещества, превращая их в ионы. Это свойство обуславливает их биологическое действие и используется в детекторах излучения.

– Способность вызывать флуоресценцию: некоторые вещества (люминофоры, например, сульфид цинка) начинают светиться под действием рентгеновских лучей. Это используется в усиливающих экранах и флюороскопии.

– Фотохимическое действие: рентгеновские лучи, подобно видимому свету, засвечивают фотопленку. Именно это свойство позволило Рентгену их обнаружить и легло в основу классической рентгенографии.

– Отсутствие отклонения в электрических и магнитных полях: так как рентгеновские лучи являются потоком электромагнитных волн (фотонов), а не заряженных частиц, они не изменяют свою траекторию в полях.

– Распространение со скоростью света и проявление волновых свойств (дифракция, интерференция), что доказывает их волновую природу и используется, например, в рентгеноструктурном анализе.

Получение рентгеновских лучей

Основным источником рентгеновских лучей является рентгеновская трубка. Это вакуумный прибор, в котором электроны, испускаемые нагретым катодом, ускоряются сильным электрическим полем (напряжением в десятки и сотни киловольт) и с большой скоростью ударяются о металлический анод (антикатод). При резком торможении электронов об анод их кинетическая энергия превращается в энергию рентгеновских фотонов. Существует два механизма генерации излучения:

1. Тормозное излучение: возникает при торможении электронов в электрическом поле ядер атомов материала анода. Энергия теряется в виде фотона. Это излучение имеет сплошной (непрерывный) спектр, ограниченный со стороны коротких волн минимальной длиной волны $\lambda_{min}$, которая определяется ускоряющим напряжением $\text{U}$: $\lambda_{min} = \frac{hc}{eU}$, где $\text{h}$ – постоянная Планка, $\text{c}$ – скорость света, $\text{e}$ – заряд электрона.

2. Характеристическое излучение: возникает, когда ускоренный электрон выбивает электрон с одной из внутренних электронных оболочек атома анода (например, K- или L-оболочки). Образовавшаяся "вакансия" заполняется электроном с более высокой по энергии оболочки. При этом переходе излучается фотон с энергией, равной разности энергий этих оболочек. Такое излучение имеет линейчатый (дискретный) спектр, и положение линий в спектре является уникальной характеристикой материала анода.

Применение

Благодаря своим свойствам рентгеновские лучи нашли широкое применение в различных областях:

– Медицина: рентгенография (получение снимков костей и внутренних органов), флюорография (массовые обследования органов грудной клетки), компьютерная томография (КТ, получение послойных изображений), ангиография (исследование сосудов), лучевая терапия (лечение онкологических заболеваний).

– Промышленность и техника: дефектоскопия – неразрушающий контроль качества изделий, например, сварных швов, литых деталей на наличие внутренних трещин и пустот.

– Системы безопасности: сканирование багажа и грузов в аэропортах, на вокзалах и таможне для обнаружения запрещенных предметов.

– Научные исследования: рентгеноструктурный анализ позволяет определять кристаллическую структуру веществ, что сыграло ключевую роль, например, в установлении структуры молекулы ДНК. Рентгеновская астрономия изучает космические объекты (черные дыры, нейтронные звезды) по их рентгеновскому излучению.

– Искусство: исследование картин для определения их подлинности, выявления скрытых слоев краски или предварительных набросков художника.

Биологическое воздействие и защита

Рентгеновское излучение является ионизирующим и при воздействии на живые организмы может вызывать повреждение клеток, в том числе и молекул ДНК. Это может приводить к мутациям, гибели клеток и, при больших дозах или длительном воздействии, к развитию лучевой болезни и онкологических заболеваний. Эффект от облучения имеет свойство накапливаться. Поэтому при работе с рентгеновскими лучами необходимо соблюдать меры предосторожности: использовать минимально возможные дозы облучения (принцип ALARA), ограничивать время воздействия и использовать средства защиты (экраны из свинца или просвинцованной резины), которые эффективно поглощают излучение.

Ответ:

Рентгеновские лучи – это высокоэнергетическое электромагнитное излучение, расположенное в спектре между ультрафиолетом и гамма-лучами, открытое В. Рентгеном. Их генерируют в рентгеновских трубках при торможении быстрых электронов на металлическом аноде. Ключевые свойства – высокая проникающая способность, ионизирующее действие и способность засвечивать фотопленку – обусловили их широкое применение в медицине (рентгенография, КТ), промышленности (дефектоскопия), системах безопасности (сканеры багажа) и науке (рентгеноструктурный анализ). Являясь ионизирующим, излучение опасно для живых организмов и требует строгого контроля доз и использования средств защиты (например, свинцовых экранов).