Номер 2, страница 169 - гдз по физике 11 класс учебник Туякбаев, Насохова

2. Объясните принцип работы рентгеновской трубки.

2. Объясните принцип работы рентгеновской трубки.

Рентгеновская трубка — это электровакуумный прибор, который генерирует рентгеновское излучение. Принцип её работы основан на явлении тормозного излучения, которое возникает при резком замедлении быстро движущихся электронов. Процесс работы можно разбить на несколько основных этапов:

1. Эмиссия электронов. Внутри герметичной стеклянной или керамической колбы с глубоким вакуумом расположен катод. Катод представляет собой спираль из вольфрама, которая разогревается до высокой температуры (около 2400 o C) с помощью отдельного источника низкого напряжения. В результате явления термоэлектронной эмиссии с раскалённой поверхности катода испускается облако электронов.

2. Ускорение электронов. Между катодом (отрицательным электродом) и анодом (положительным электродом) подаётся очень высокое ускоряющее напряжение, достигающее десятков или сотен киловольт. Созданное мощное электрическое поле ускоряет электроны, покинувшие катод, до огромных скоростей (доли скорости света). Электроны приобретают большую кинетическую энергию, которая определяется формулой $E_k = eU$, где $\text{e}$ – заряд электрона, а $\text{U}$ – приложенное напряжение.

3. Торможение электронов на аноде. Ускоренный пучок электронов направляется на мишень — анод (или антикатод). Анод изготавливается из тугоплавкого металла с большим атомным номером (например, вольфрама или молибдена), чтобы выдерживать высокие температуры и эффективно генерировать излучение. При столкновении с атомами вещества анода электроны резко тормозятся, теряя свою кинетическую энергию.

4. Генерация рентгеновского излучения. По законам электродинамики, любой заряженной частице, движущейся с ускорением (в данном случае с отрицательным ускорением, то есть торможением), свойственно испускать электромагнитные волны. Потерянная электронами кинетическая энергия преобразуется в энергию фотонов рентгеновского излучения. Этот процесс называется тормозным излучением (нем. Bremsstrahlung). Поскольку электроны могут тормозиться по-разному и терять различную долю своей энергии, спектр тормозного излучения является сплошным.

Кроме тормозного излучения, возникает также характеристическое излучение. Оно появляется, когда быстрые электроны выбивают электроны с внутренних электронных оболочек атомов анода. На образовавшиеся вакантные места переходят электроны с более высоких энергетических уровней, испуская при этом фотоны со строго определёнными энергиями, которые характерны для материала анода. В спектре это выглядит как узкие пики на фоне сплошного тормозного спектра.

Важно отметить, что большая часть (более 99%) энергии электронов превращается в тепло, разогревая анод. Поэтому для предотвращения его разрушения применяются мощные системы охлаждения (водяное, масляное) или используется конструкция с вращающимся анодом, что позволяет распределить тепловую нагрузку по большей площади.

Ответ: Принцип работы рентгеновской трубки заключается в генерации потока электронов с помощью термоэлектронной эмиссии, их последующем ускорении высоким напряжением до больших энергий и резком торможении на металлическом аноде, в результате чего кинетическая энергия электронов преобразуется в энергию рентгеновского излучения (тормозного и характеристического).