Номер 5, страница 258 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

5. Почему трудно изготовить рентгеновский микроскоп?

5. Изготовление рентгеновского микроскопа представляет собой чрезвычайно сложную научно-техническую задачу из-за особенностей взаимодействия рентгеновского излучения с веществом. Основные трудности заключаются в следующем:

1. Невозможность использования традиционных линз. В оптических микроскопах для фокусировки света используются стеклянные линзы, работающие на явлении преломления. Однако для рентгеновских лучей показатель преломления $n$ всех веществ очень близок к единице ($n \approx 1$). Это означает, что рентгеновские лучи проходят через вещество, практически не преломляясь. Следовательно, создать собирающую или рассеивающую линзу традиционной формы для рентгеновского излучения невозможно.
2. Сильное поглощение. Рентгеновское излучение обладает высокой энергией и активно поглощается большинством материалов. Это делает неэффективным создание толстых оптических элементов, так как излучение будет просто поглощено, а не сфокусировано.
3. Сложность фокусировки с помощью зеркал. Обычные зеркала, работающие при нормальном падении света, также неэффективны для рентгеновских лучей, так как они в основном проникают в материал, а не отражаются от него. Отражение рентгеновских лучей возможно, но только при очень малых, так называемых «скользящих» углах падения (когда лучи падают почти параллельно поверхности). Создание зеркал скользящего падения (например, зеркал Вольтера) требует высочайшей точности обработки поверхности (до атомной гладкости) и сложной геометрии, что делает их производство очень дорогим и технологически трудным.
4. Использование альтернативной оптики. Из-за перечисленных проблем в рентгеновской микроскопии применяются специальные оптические системы:
   • Зонные пластинки Френеля: это дифракционные элементы, представляющие собой систему концентрических колец, которые поочередно пропускают и задерживают излучение. Они могут фокусировать рентгеновские лучи, но их изготовление требует технологий нанолитографии для создания структур с размерами в десятки нанометров, что является передовым краем технологии.
   • Составные преломляющие линзы (Compound Refractive Lenses, CRL): это набор из множества (десятков или сотен) отдельных, очень слабых преломляющих линз (например, микроскопических параболических углублений в материале с низким атомным номером, как бериллий). Для достижения значимого фокусного расстояния требуется идеальная соосная установка большого числа таких элементов, что является сложной инженерной задачей.
5. Требования к источнику излучения. Для получения качественного изображения необходим очень яркий и когерентный источник рентгеновских лучей. Лабораторные источники часто не обладают достаточной яркостью, поэтому большинство современных рентгеновских микроскопов работают на базе синхротронов — гигантских и дорогостоящих ускорительных комплексов.

Ответ: Основная трудность в изготовлении рентгеновского микроскопа заключается в том, что рентгеновское излучение практически не преломляется ($n \approx 1$) и плохо отражается от поверхностей при нормальном падении, что делает невозможным использование традиционных линз и зеркал. Для фокусировки рентгеновских лучей приходится создавать сложные и дорогие оптические системы (зеркала скользящего падения, зонные пластинки Френеля), требующие нанотехнологий в производстве, а также использовать мощные источники излучения, такие как синхротроны.