Номер 2, страница 196, часть 2 - гдз по физике 9 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 2. Глава 11. Квантовые явления. Параграф 109. Лабораторные и исследовательские работы. Темы исследовательских и проектных работ - номер 2, страница 196.

Условие.

• Рентгеновское излучение.

Решение.

Определение и природа рентгеновского излучения

Рентгеновское излучение — это вид электромагнитного излучения с очень короткой длиной волны, занимающий в шкале электромагнитных волн область между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением. Длины волн рентгеновского излучения лежат в диапазоне от $10^{-12}$ до $10^{-8}$ метров (от 1 пикометра до 10 нанометров). Энергия фотонов рентгеновского излучения составляет от 100 эВ до сотен кэВ. Как и все электромагнитные волны, оно распространяется со скоростью света, обладает свойствами как волн (например, способностью к дифракции), так и частиц (фотонов). По своей природе рентгеновские лучи являются потоком фотонов высокой энергии. Излучение с более короткой длиной волны (и большей энергией) называют «жестким», а с более длинной — «мягким».

Ответ:

История открытия

Рентгеновское излучение было открыто 8 ноября 1895 года немецким физиком Вильгельмом Конрадом Рентгеном. Во время экспериментов с катодными лучами в вакуумной трубке он заметил, что расположенный неподалеку экран, покрытый платиносинеродистым барием, начинает светиться (флуоресцировать). Это свечение наблюдалось даже тогда, когда трубка была обернута в плотный черный картон, непроницаемый для видимого света. Рентген пришел к выводу, что трубка испускает невидимые лучи с высокой проникающей способностью. Он назвал их X-лучами (X-Strahlen), подчеркивая их неизвестную природу. За это выдающееся открытие в 1901 году Вильгельм Рентген был удостоен первой в истории Нобелевской премии по физике.

Ответ:

Механизмы возникновения и источники

Основным искусственным источником рентгеновского излучения является рентгеновская трубка. В ней электроны, испускаемые нагретым катодом, ускоряются сильным электрическим полем (напряжением в десятки и сотни киловольт) и с большой скоростью ударяются о металлическую мишень — анод (обычно из тугоплавких металлов, таких как вольфрам или молибден). При резком торможении электронов в материале анода их кинетическая энергия превращается в энергию рентгеновских фотонов. Существует два основных механизма генерации излучения:

1. Тормозное излучение. Возникает, когда быстрый электрон замедляется в электростатическом поле атомного ядра мишени. При этом испускается фотон, энергия которого может принимать любое значение от нуля до максимальной энергии, равной полной кинетической энергии электрона $E_{max} = eU$, где $\text{e}$ — заряд электрона, а $\text{U}$ — ускоряющее напряжение. Это приводит к образованию непрерывного спектра излучения.
2. Характеристическое излучение. Возникает, если энергия налетающего электрона достаточна, чтобы выбить один из электронов с внутренних оболочек атома мишени (например, K- или L-оболочки). Образовавшаяся вакансия заполняется электроном с более высокой по энергии оболочки. Этот переход сопровождается испусканием рентгеновского фотона со строго определенной энергией, равной разности энергий этих оболочек. Такой спектр является линейчатым (состоит из отдельных линий) и уникален для каждого химического элемента, то есть является его «характеристикой».

Естественными источниками рентгеновского излучения являются многие астрономические объекты: корона Солнца, нейтронные звезды, черные дыры и активные ядра галактик.

Ответ:

Свойства рентгеновского излучения

Рентгеновское излучение обладает рядом уникальных свойств:

• Высокая проникающая способность. Лучи могут проходить сквозь материалы, непрозрачные для видимого света. Степень поглощения зависит от плотности и атомного номера вещества, а также от энергии самих лучей (жесткое излучение проникает глубже, чем мягкое).
• Ионизирующее действие. Обладая высокой энергией, рентгеновские фотоны способны выбивать электроны из атомов и молекул вещества, превращая их в ионы. Это свойство лежит в основе его биологического действия.
• Вызывает флуоресценцию. Некоторые вещества (люминофоры) начинают светиться под действием рентгеновских лучей.
• Фотохимическое действие. Излучение способно засвечивать фотопленку, что используется в рентгенографии.
• Отсутствие преломления и отклонения в полях. Рентгеновские лучи не отклоняются электрическими и магнитными полями, так как фотоны не имеют электрического заряда, и очень слабо преломляются на границе сред.
• Дифракция. Рентгеновские лучи способны дифрагировать на кристаллических решетках, так как их длина волны сопоставима с меж атомными расстояниями в кристаллах. Это свойство используется в рентгеноструктурном анализе.

Ответ:

Применение рентгеновского излучения

Благодаря своим свойствам рентгеновское излучение нашло широкое применение в различных областях:

• Медицина. Рентгенография и флюорография используются для визуализации костей и внутренних органов. Компьютерная томография (КТ) позволяет получать детальные послойные изображения. Лучевая терапия (рентгенотерапия) применяется для уничтожения раковых опухолей.
• Промышленность и безопасность. Рентгеновская дефектоскопия используется для контроля качества сварных швов, литых изделий и других конструкций на предмет наличия внутренних дефектов (трещин, пор). В системах безопасности (например, в аэропортах) рентгеновские сканеры применяются для досмотра багажа.
• Наука. Рентгеноструктурный анализ является основным методом определения пространственной структуры молекул и кристаллов, что позволило, например, расшифровать структуру ДНК. Рентгенофлуоресцентный анализ используется для определения элементного состава вещества. Рентгеновская астрономия изучает высокоэнергетические процессы во Вселенной.

Ответ:

Биологическое действие и защита

Как и любое ионизирующее излучение, рентгеновское излучение оказывает воздействие на живые организмы. При прохождении через ткани оно ионизирует атомы и молекулы, что может приводить к повреждению клеток, в том числе и молекул ДНК. Это может вызвать лучевую болезнь (при больших дозах), а также увеличить риск развития онкологических заболеваний и генетических мутаций. Степень вредного воздействия зависит от поглощенной дозы излучения. Для защиты от рентгеновских лучей используются экраны из материалов с высоким атомным номером и плотностью, чаще всего из свинца. Основные принципы радиационной защиты — минимизация времени облучения, увеличение расстояния до источника и использование экранирования.

Ответ: