Номер 4, страница 128 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

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

Взаимодействие электромагнитного излучения с веществом кардинально зависит от энергии фотонов этого излучения, которая связана с его частотой $ \nu $ (или длиной волны $ \lambda $) формулой Планка: $ E = h\nu = hc/\lambda $, где $\text{h}$ — постоянная Планка, а $\text{c}$ — скорость света. Энергия фотонов растет в ряду: инфракрасное < ультрафиолетовое < рентгеновское излучение, что и определяет разницу в механизмах их взаимодействия с атомами и молекулами вещества.

Инфракрасное излучение
Взаимодействие инфракрасного (ИК) излучения с веществом определяется относительно низкой энергией его фотонов. Эта энергия сопоставима с энергией колебательных и вращательных движений молекул.
Когда вещество поглощает ИК-фотон, его энергия передается молекулам, заставляя их переходить на более высокие колебательные или вращательные энергетические уровни. Это означает, что атомы внутри молекулы начинают колебаться с большей амплитудой, а сами молекулы — вращаться с большей скоростью.
На макроскопическом уровне это усиление хаотического движения частиц вещества проявляется как увеличение его внутренней энергии, то есть как нагрев. Именно поэтому ИК-излучение часто называют тепловым. Например, тепло, которое мы ощущаем от костра или нагретых предметов, — это результат поглощения нашей кожей ИК-лучей.
Таким образом, основной эффект взаимодействия ИК-излучения с веществом — это возбуждение молекулярных колебаний и вращений, что приводит к нагреву вещества.

Ответ: Основным механизмом взаимодействия инфракрасного излучения с веществом является поглощение фотонов молекулами, что приводит к возбуждению их колебательных и вращательных уровней энергии и, как следствие, к нагреву вещества.

Ультрафиолетовое излучение
Фотоны ультрафиолетового (УФ) излучения обладают большей энергией, чем фотоны ИК-излучения. Этой энергии достаточно, чтобы вызывать переходы электронов на внешних (валентных) оболочках атомов и молекул на более высокие энергетические уровни.
Основные процессы взаимодействия:
1. Электронное возбуждение: Атом или молекула поглощает УФ-фотон, и один из валентных электронов переходит в возбужденное состояние. Это состояние нестабильно, и электрон возвращается в основное состояние, испуская энергию в виде света (флуоресценция, фосфоресценция) или тепла.
2. Фотохимические реакции: Энергия УФ-фотона может быть достаточной для разрыва химических связей в молекулах. Это инициирует различные химические реакции. Примерами являются загар и солнечные ожоги (повреждение ДНК в клетках кожи), выцветание красителей и разрушение полимеров (например, пластика) под действием солнечного света.
3. Фотоэффект: Для веществ с низкой работой выхода (например, для многих металлов) энергии УФ-фотона может хватить, чтобы полностью выбить электрон из вещества.

Ответ: Ультрафиолетовое излучение взаимодействует с веществом преимущественно через возбуждение валентных электронов в атомах и молекулах. Это может приводить к таким явлениям, как люминесценция, фотохимические реакции (включая разрыв химических связей) и фотоэлектрический эффект.

Рентгеновское излучение
Рентгеновское излучение состоит из фотонов очень высокой энергии, что делает его ионизирующим излучением. Его энергия значительно превышает энергию связи не только внешних, но и внутренних электронов в атомах.
Основные механизмы взаимодействия:
1. Фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект): Рентгеновский фотон полностью поглощается атомом, и вся его энергия расходуется на выбивание электрона с одной из внутренних оболочек (например, K- или L-оболочки). Атом при этом ионизируется. Образовавшаяся вакансия заполняется электроном с более высокой оболочки, что сопровождается испусканием характеристического рентгеновского фотона (флуоресценция) или другого электрона (Оже-электрон). Этот процесс преобладает для фотонов с относительно низкой энергией и для веществ с большим атомным номером $\text{Z}$.
2. Комптоновское рассеяние (эффект Комптона): Рентгеновский фотон взаимодействует со слабо связанным внешним электроном атома (рассматриваемым как свободный). Фотон передает электрону часть своей энергии, выбивая его из атома, а сам рассеивается (отклоняется от первоначального направления) с меньшей энергией и, соответственно, большей длиной волны. Это основной механизм для средних энергий рентгеновского излучения и для веществ с малым атомным номером (например, биологические ткани).
Благодаря высокой энергии фотонов рентгеновское излучение обладает большой проникающей способностью. Различие в поглощении рентгеновских лучей веществами с разным атомным номером (например, кости, богатые кальцием, поглощают сильнее, чем мягкие ткани) лежит в основе медицинской рентгенографии.

Ответ: Рентгеновское излучение взаимодействует с веществом в основном через ионизацию атомов, главными процессами которой являются фотоэффект (поглощение фотона с выбиванием внутреннего электрона) и эффект Комптона (рассеяние фотона на электроне с передачей ему части энергии). Это обуславливает его высокую проникающую способность и биологическое действие.