Номер 4, страница 179 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

4. Как взаимодействуют с веществом инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское излучения?

Взаимодействие электромагнитного излучения с веществом зависит от энергии его квантов (фотонов). Энергия фотона $\text{E}$ связана с частотой излучения $ \nu $ и длиной волны $ \lambda $ формулой $E = h\nu = hc/\lambda$, где $\text{h}$ — постоянная Планка, а $\text{c}$ — скорость света. Поскольку инфракрасное, ультрафиолетовое и рентгеновское излучения имеют разную энергию фотонов, они взаимодействуют с веществом по-разному.

Инфракрасное излучение

Фотоны инфракрасного (ИК) излучения обладают относительно небольшой энергией. Этой энергии недостаточно для возбуждения электронных оболочек атомов или для разрыва химических связей. Основной механизм взаимодействия ИК-излучения с веществом — это резонансное поглощение его квантов молекулами, которое приводит к возбуждению их колебательных и вращательных состояний. Молекула поглощает фотон, если его энергия в точности соответствует разности энергий между двумя ее колебательными или вращательными уровнями. Поглощенная энергия затем преобразуется в кинетическую энергию хаотического движения молекул в результате столкновений, что макроскопически проявляется как нагрев вещества. Поэтому ИК-излучение также называют тепловым. На этом принципе основан метод инфракрасной спектроскопии, позволяющий определять состав вещества по его спектрам поглощения.

Ответ: Инфракрасное излучение в основном поглощается веществом, вызывая возбуждение колебательных и вращательных движений молекул, что приводит к нагреву вещества.

Ультрафиолетовое излучение

Энергия фотонов ультрафиолетового (УФ) излучения выше, чем у видимого света. Этой энергии достаточно для того, чтобы вызывать переходы внешних (валентных) электронов в атомах и молекулах на более высокие энергетические уровни. Этот процесс называется электронным возбуждением. Кроме того, более жесткое УФ-излучение (с короткой длиной волны) обладает достаточной энергией для разрыва химических связей в молекулах, что инициирует фотохимические реакции. Именно этот эффект вызывает повреждение молекул ДНК в клетках живых организмов, что приводит к солнечным ожогам и повышает риск развития рака кожи. Также энергия УФ-фотонов может быть достаточной для полной ионизации атомов или молекул, то есть для отрыва электрона от них (фотоионизация). Благодаря своей способности разрушать органические молекулы и убивать микроорганизмы, УФ-излучение используется для стерилизации.

Ответ: Ультрафиолетовое излучение взаимодействует с веществом, вызывая электронные переходы, фотохимические реакции (разрыв химических связей) и ионизацию атомов и молекул.

Рентгеновское излучение

Рентгеновское излучение — это высокоэнергетическое ионизирующее излучение. Его фотоны обладают энергией, значительно превышающей энергию связи электронов в атомах, поэтому основные процессы взаимодействия — это ионизация. Выделяют два главных механизма:
1. Фотоэлектрический эффект (фотоэффект): Рентгеновский фотон поглощается целиком, передавая всю свою энергию одному из электронов на внутренних оболочках атома (например, K- или L-оболочке). Этот электрон выбивается из атома. Процесс доминирует при относительно низких энергиях рентгеновских лучей и в веществах с большим атомным номером.
2. Комптоновское рассеяние: Рентгеновский фотон сталкивается со слабо связанным электроном внешней оболочки или свободным электроном, передавая ему лишь часть своей энергии. В результате фотон рассеивается (изменяет направление и уменьшает энергию), а электрон получает импульс (электрон отдачи). Этот эффект является основным для веществ с малым атомным номером (как биологические ткани) и при средних энергиях рентгеновского излучения.
Высокая проникающая способность и зависимость поглощения от плотности и атомного номера вещества лежат в основе применения рентгеновских лучей в медицине (рентгенография) и дефектоскопии.

Ответ: Рентгеновское излучение взаимодействует с веществом преимущественно через ионизационные процессы — фотоэлектрическое поглощение и комптоновское рассеяние, выбивая электроны из атомов.