Номер 4, страница 258 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

Вопросы к параграфу. Параграф 68. Шкала электромагнитных волн. Глава 9. Излучение и спектры - номер 4, страница 258.

Условие.

4. Как устроена рентгеновская трубка?

Решение.

Решение 2.

Рентгеновская трубка — это электровакуумный прибор, предназначенный для генерации рентгеновского излучения. Она представляет собой, по сути, двухэлектродную лампу (диод), работа которой основана на явлении испускания электромагнитных волн при резком торможении заряженных частиц (электронов).

Конструктивно рентгеновская трубка состоит из следующих основных частей:

• Стеклянная или металлокерамическая колба: это герметичный корпус, внутри которого поддерживается высокий вакуум (порядка $10^{-4}$–$10^{-5}$ Па). Вакуум необходим для того, чтобы электроны могли свободно перемещаться от катода к аноду, не сталкиваясь с молекулами воздуха и не теряя свою энергию.
• Катод (-): отрицательный электрод, являющийся источником электронов. Катод состоит из спирали (нити накала), изготовленной из тугоплавкого материала, как правило, вольфрама. Эта спираль помещена в специальную металлическую чашечку — фокусирующий электрод. При пропускании через нить электрического тока (ток накала) она раскаляется до высокой температуры, что вызывает явление термоэлектронной эмиссии — испускание электронов с её поверхности. Фокусирующий электрод собирает эти электроны в узкий пучок и направляет их на анод.
• Анод (+): положительный электрод, служащий мишенью для пучка электронов. На анод подается очень высокое положительное напряжение (десятки и сотни киловольт) относительно катода. Он изготавливается из металла с высоким атомным номером (например, вольфрам, молибден) и высокой температурой плавления. Это связано с тем, что при столкновении электронов с анодом подавляющая часть их кинетической энергии (около 99%) превращается в тепло, и лишь около 1% — в рентгеновское излучение.
• Система охлаждения: из-за сильного нагрева анода необходим эффективный отвод тепла для предотвращения его разрушения. В трубках малой мощности используется неподвижный (стационарный) анод, который охлаждается маслом или водой. В мощных рентгеновских установках применяют вращающийся анод. Он имеет форму диска, который вращается с большой скоростью. Благодаря этому электронный пучок постоянно попадает на разные, более холодные участки поверхности анода, что значительно улучшает теплоотвод.

Принцип действия рентгеновской трубки:

1. Нить накала катода разогревается электрическим током, в результате чего она начинает испускать электроны.
2. Между катодом и анодом создается высокое ускоряющее напряжение. Электрическое поле разгоняет испущенные электроны до очень больших скоростей (доли скорости света), и они устремляются к аноду. Кинетическая энергия электрона $E_k$ при этом равна $E_k = eU$, где $e$ — заряд электрона, а $U$ — ускоряющее напряжение.
3. Достигнув анода, электроны резко тормозятся при взаимодействии с атомами материала мишени. В результате этого торможения возникают два вида рентгеновского излучения:
   • Тормозное излучение: возникает, когда электрон, пролетая вблизи атомного ядра мишени, замедляется и меняет траекторию под действием его сильного электрического поля. Потерянная кинетическая энергия электрона излучается в виде рентгеновского фотона. Этот процесс дает непрерывный спектр излучения.
   • Характеристическое излучение: возникает, когда налетающий электрон обладает достаточной энергией, чтобы выбить один из электронов с внутренних электронных оболочек атома мишени. На образовавшееся свободное место (вакансию) перескакивает электрон с одной из внешних оболочек. Этот переход сопровождается испусканием рентгеновского фотона со строго определенной энергией, которая характерна для материала анода.
4. Рентгеновское излучение, будучи всенаправленным, выходит из трубки через специальное тонкое окно (часто из бериллия), которое слабо поглощает рентгеновские лучи.

Ответ: Рентгеновская трубка — это вакуумный электронный прибор, состоящий из герметичной колбы, в которой размещены два электрода: катод и анод. Катод при нагреве испускает электроны. Анод, находящийся под высоким положительным напряжением, притягивает и ускоряет эти электроны. При резком торможении разогнанных электронов о материал анода (мишень) их кинетическая энергия преобразуется в рентгеновское излучение. Основными элементами трубки являются катод (источник электронов), анод (мишень), вакуумная колба и система охлаждения анода.