Ответьте на вопросы, страница 203 - гдз по физике 9 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопрос

Почему «жесткость» лучей при увеличении ускоряющего напряжения возрастает?

Термин «жесткость» рентгеновских лучей характеризует их проникающую способность, которая, в свою очередь, напрямую зависит от энергии фотонов, из которых состоят эти лучи. Чем выше энергия фотонов, тем «жестче» излучение и тем глубже оно может проникать в вещество.

Рассмотрим процесс генерации рентгеновских лучей в рентгеновской трубке, чтобы понять эту зависимость.

Решение

1. В вакуумной рентгеновской трубке электроны, испускаемые раскаленным катодом, ускоряются сильным электрическим полем. Это поле создается за счет приложения высокого напряжения $U$, называемого ускоряющим, между катодом (отрицательный электрод) и анодом (положительный электрод).

2. Работа, совершаемая электрическим полем над электроном с зарядом $e$ при его движении от катода к аноду, полностью переходит в его кинетическую энергию $E_k$. Таким образом, к моменту подлета к аноду электрон обладает кинетической энергией, равной: $E_k = eU$

3. При столкновении с материалом анода (как правило, это тяжелый тугоплавкий металл, например, вольфрам) быстрые электроны резко тормозятся. В результате этого торможения их кинетическая энергия преобразуется в энергию электромагнитного излучения — фотонов. Этот процесс называется тормозным излучением (нем. Bremsstrahlung).

4. Самый энергоэффективный случай — когда электрон отдает всю свою кинетическую энергию на рождение одного-единственного фотона. Энергия такого фотона будет максимальной из всех возможных и будет в точности равна кинетической энергии электрона перед торможением: $E_{max} = E_k = eU$

5. Из этой формулы видно, что максимальная энергия рентгеновских фотонов прямо пропорциональна ускоряющему напряжению $U$. Поскольку энергия фотона $E$ определяет его частоту $\nu$ и длину волны $\lambda$ ($E = h\nu = \frac{hc}{\lambda}$), увеличение $U$ приводит к увеличению максимальной энергии и частоты фотонов в спектре излучения и, соответственно, к уменьшению минимальной длины волны.

Таким образом, повышая ускоряющее напряжение, мы сообщаем электронам большую кинетическую энергию, которая затем преобразуется в рентгеновские фотоны с большей энергией. А чем выше энергия фотонов, тем выше их проникающая способность, то есть тем «жестче» излучение.

Ответ: «Жесткость» лучей — это мера их энергии и проникающей способности. Рентгеновские лучи возникают при торможении электронов, ускоренных напряжением $U$. Кинетическая энергия, приобретаемая электронами, прямо пропорциональна этому напряжению ($E_k = eU$). Эта энергия затем преобразуется в энергию рентгеновских фотонов. Следовательно, чем выше ускоряющее напряжение $U$, тем большую энергию получают фотоны, и тем выше становится «жесткость» рентгеновского излучения.