Методична розробка "Рентгенівське випромінювання"

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Тема:  Шкала електромагнітного випромінювання. Інфрачервоні,     ультрафіолетові, рентгенівські промені. Їх властивості та застосування.

 Мета: ознайомити студентів із історією відкриття  інфрачервоних, ультрафіолетових, рентгенівських променів, пояснити їх  властивості, природу,ознайомити із застосуванням у медичній  практиці, закріпити  вміння і навики розв'язування задач, розвивати  логічне  мислення.   

 Обладнання: призма прямого зору, мультимедійні засоби навчання, відеосюжет "Життя і діяльність Івана Пулюя".

 Вид заняття: комбінований урок.

Хід заняття

І. Організаційний момент.

ІІ. Перевірка домашнього завдання.

 

1. Перевірка домашнього письмового завдання.

а) 5х10⁵ Гц

б) 1,99х10^-19 Дж

2. Розв'язування задач на дошці.

Задача 1.

Визначіть енергію і частоту кванта ультрафіолетових променів із зони В, під дією яких відбувається загар шкіри людини, з довжиною хвилі 300 нм.

 Відповідь: 6,62х10^-9 Дж,  10¹⁵ Гц.

Задача2.

  У скільки разів енергія кванта ультрафіолетового випромінювання з довжиною хвилі 20 нм більша енергії кванта інфрачервоного випромінювання з довжиною хвилі 0,4 Мм?

Відповідь: 20 000.

3. Оптична дуель

 Пропоную вам змагання -  продовжте формулювання раніше вивчених означень, правил, законів.

За кожну відповідь 1 бал.

І тур

1.              Процес поширення електромагнітного поля називається... (електромагнітною хвилею).
2.              Перший винайшов радіо... (О.Попов).
3.              Електромагнітні хвилі довжиною від 400нм до 760нм називаються... (світлом).
4.              Інфрачервоні промені використовують для... (сушіння матеріалів, в пристроях нічного бачення, медичних ламп соллюкс, інфраруж, лампи Мініна).
5.              Ультрафіолетові промені використовують для... (дезінфекції, лікування, фотографування, виявлення прихованих написів).
6.              Першим виміряв  швидкість світла... (Ремер).
7.              Просвітлення оптики відкрив... (О.Смакула).
8.              Людське око в спектрі сонячного світла розрізняє... (160) кольорових відтінків.
9.              Довжина хвилі вимірюється в ... (метрах).       
10.         Розподіл світла по частотах називається... (спектром).
11.         Явище дисперсії відкрив... (Ньютон).
12.         Ось відгриміла гроза громовиста,

Хмари кудлаті кудись понесло,

Сонце з'явилось, як жар променисте,

Світлом довколо усе залило,

Сім основних кольорів із веселки

Дружно шикують веселий парад.

Зверху червоний, оранжевий - нижче...Продовжте далі (жовтий, зелений, голубий, синій, фіолетовий)

ІІ тур

1. Що в скриньку не сховати? (Промінь світла).

2. Ти за нею - вона від тебе, ти від неї - вона за тобою. Що це таке?  (Тінь).

3. За якою властивістю інфрачервоного випромінювання його легко відкрили ? (Теплова).

4. Що є джерелом ультрафіолету у природі?  (Сонце).

5. Для кварцування лікарняних палат використовують... (ртутно-кварцовий опромінювач).

6. Найблаготворніше на людину впливає ...(зелена)  ділянка спектра.

7. Де більша інтенсивність ультрафіолетових променів в сонячному випромінюванні - на поверхні Землі чи у відкритому космосі?  ( У космосі).

8. Тіло якого кольору поглинає всі світлові промені, що падають на нього?  (Чорного).

9. З напису на могилі Ньютона: "Дослідив різноманітність світлових променів і зумовлені цим особливості кольорів, про які до того часу ніхто й гадки не мав". Про яке явище йде мова?  (Про дисперсію).

10. Чому погано видно через скло у дощ? (У краплях води світло розсіюється і заломлюється).

11. Яке джерело інфрачервоних променів називають синьою лампою?  (Лампу Мініна).

12. Кут падіння дорівнює куту... (Відбивання).

4. Конкурс ерудитів.

 

Кросворд 1

1					6
		3		5
	2		4			7

 

ПРИЛАД, ЯКИЙ О. С. ПОПОВ ВИКОРИСТОВУВАВ В РАДІОПРИЙМАЧІ

1. Сукупність семи кольорів.

2. Супутник Юпітера, за яким спостерігав Ремер.

3. Явище зменшення інтенсивності світла при проход­женні крізь напівпрозоре середовище.

4. Вчений, який першим виміряв швидкість світла.

5. Вчений, який першим винайшов радіо.

6. Щоб дістати стійку їнтерференційну картину, треба щоб джерела хвиль були ...

7. Багатокутник, який використовував Ньютон при до­слідженні дисперсії.

 

 

 

Кросворд 1

Еталон  відповідей

с					к
п		п		г	о
е	і	о	р	е	г	п
к	о	г	е	р	е	р
т		л	м	ц	р	и
р		и	е		е	з
		н	р		н	м
		а			т	а
		н			н
		н			і
		я

 

Кросворд 2

 

					6
1	2	3	4	5		7

ПРІЗВИЩЕ ГОЛЛАНДСЬКОГО ФІЗИКА І МАТЕМАТИКА, ТВОРЦЯ ПЕРШОЇ ХВИЛЬОВОЇ ТЕОРІЇ СВІТЛА

1. Явище зменшення інтенсивності світла при проход­женні крізь напівпрозоре середовище.

2. Вчений, який пояснив явище дисперсії.

3. Американський вчений, який розробив досконалий метод вимірювання швидкості світла.

4. Прилад, який використав О. Попов в радіо.

5. Сукупність семи основних кольорів.

6. Колір в спектрі, що знаходиться між червоним та жовтим.

7. Явище залежності показника заломлення світла від його кольору.

Кросворд 2

Еталони відповідей

 

					о
п	н	м	к	с	р	д
о	ь	а	о	п	а	и
г	ю	й	г	е	н	с
л	т	к	е	к	ж	п
и	о	е	р	т	е	е
н	н	л	е	р	в	р
а		ь	р		и	с
н		с			й	і
н		о				я
я		н

 

 

 

Кросворд 3

 

						7
1	2	3			6
			4				8
				5

 

ПРИЛАД, ЯКИЙ ВИКОРИСТОВУЄТЬСЯ В ТЕЛЕ­ВІЗОРІ ДЛЯ ПЕРЕТВОРЕННЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ХВИЛЬ У ВИДИМЕ ЗОБРАЖЕННЯ

1. Колір спектра, який знаходиться між зеленим та синім.

2. При розкладанні світла в спектрі можна спостерігати і жовтий

3. Прилад, який видиме зображення перетворює в серію електричних сигналів.

4. Прилад, за допомогою якого досить точно можна ви­міряти довжину світлової хвилі.

5. Короткі електромагнітні хвилі, що спричиняють зоро­ве відчуття.

6. Американський вчений, який розробив досконалий метод вимірювання швидкості світла.

7. Прилад для виявлення і точного визначення місцезна­ходження об'єктів.

8. Назва планети в дослідженнях Ремера, за якою вчений спостерігав при визначенні швидкості світла.

 

Кросворд 3

Еталони відповідей

 

						р
б	к	і			м	а
л	о	к			а	д
а	л	о	р		й	і	ю
к	і	н	е	с	к	о	п
и	р	о	ш	в	е	л	і
т		с	і	і	л	о	т
н		к	т	т	ь	к	е
и		о	к	л	с	а	р
й		п	а	о	о	т
					н	о
						р

 

5. Фізика в літературних творах.

 Викладач. Поети і письменники вміють бачити навколишній світ і образно описувати його. У багатьох літературних творах ми зустрічаємося з різними явищами природи в художній уяві авторів. Сьогодні, читаючи цї рядки, ми розглянемо такі невеликі уривки з художніх творів, як задачі з фізичним змістом.

Деякі з них можуть виявитися досить непростими - треба добре подумати, щоб відповісти правильно. Отже, є нагода одночасно насолоджуватись як художніми формами, так і красивими розв'язками. Почнемо з поезії.

В поезії Т.Г.Шевченка, автор описує захід сонця ввечері:

Сонце заходить, гори чорніють,

Пташечка тихне, поле німіє,

Чорніє поле і гай, і гори,

На синє небо виходить зоря.

 Запитання: Чому ввечері всі предмети поступово втрачають своє забарвлення і стають чорними?

 Відповідь: Людське око бачить предмети завдяки тому, що  світлові промені, відбившись від них, потрапляють до нас в очі.  При заході сонця швидко зменшується освітленість навколишніх предметів, а значить і кількість променистої енергії, що потрапляє в органи зору.

 Т.Шевченко. Уривок з поеми "Княжна".

Зоре моя вечірняя,

   Зійди над горою.

   Поговорим тихесенько

   В неволі з тобою.

   Розкажи, як за горою

   Сонечко сідає,

   Як у Дніпра веселочка

   Воду позичає.

Запитання. Як утворюється веселка-райдуга?

Відповідь. Веселка - це оптичне явище в атмосфері,  яке пояснюється розкладанням білого природного світла на кольори краплинками води в атмосфері. Потрапляючи в прозору краплю з повітря, світло, внаслідок дисперсії, розкладається в спектр, кольорові пучки якого зазнають повного відбивання і виходять назовні, відхиляючись при цьому ще на більший кут, тобто спектр робиться ще ширшим. Якщо ми при  цьому знаходимось в тому місці, куди потрапляють кольорові пучки, що утворюються від дощових крапель, то ми бачимо веселку.

Л.Українка.  Вірш  "У човні".

Глянь, як хвилі від срібла блищаться!

Глянь, як небо синіє вгорі!

Вабить хвиля на море податься,

Кличе промінь ясної зорі.           

Запитання. Чому небо синє?

Відповідь. Сонячне біле світло є "сумішшю" світлових хвиль різних кольорів. Заломлення різних за кольором світлових хвиль в атмосфері Землі відбувається по-різному (явище дисперсії). Найбільше  розсіюються промені синьо-голубої частини спектра. Тому в ясну сонячну погоду небо голубе.

Уривок з поезії Івана Франка.

Сипле, сипле, сипле сніг.

З неба сірої безодні

Меріадами летять

Ті метелики холодні.

Запитання. Чому сніг білий, адже вода і чистий лід - прозорі?

Відповідь. Сніг білий тому, що складається з дрібненьких крижинок. А всяка подрібнена прозора речовина (наприклад, ростовчене скло або лід) стає напівпрозорою і білою. Це пояснюється тим, що  промені світла, потрапляючи в дрібненькі крупинки прозорої речовини, багаторазово від них відбиваються всередину на їх межі з повітрям (явище повного відбивання). І тільки після цього виходять у повітря під довільними кутами. Якщо роздріблення снігу на маленькі часточки ліквідувати, наприклад, залити сніг водою, то він стає прозорим.

Уривок з поезії Володимира Сосюри.

Біла коні зими десь летять, як громи,

Б'ють об землю копитами дзвінко.

В'ється довгий їх шлях, і за ними в полях

Мерехтять рій за роєм сніжинки.

Запитання. Чому сніжинки мерехтять?

Відповідь. Зміна положення сніжинок, які летять у повітрі, призводить до того, що світло потрапляє на їх поверхню під різними кутами, відповідно змінюються і кути відбивання. Внаслідок цього світло потрапляє у наші очі в різні моменти часу з різних точок простору, і ми бачимо мерехтіння сніжинок.

Уривок з твору Костянтина Паустовського "Золота роза".

"Аквамарин вважається за своїм іменем каменем, що передає колір морської води. Це зовсім не так.  В прозорій його глибині є відтінки м'якого зеленого кольору і блідої блакиті. Але вся своєрідність аквамарину полягає в тому, що він яскраво освітлений зсередини цілком срібним вогнем".

Запитання: Як пояснити виникнення сріблястого світла в камені?

Відповідь. Сріблясте світло в аквамарині пояснюється явищем повного внутрішнього відбивання.

 

ІІІ. Вивчення нового матеріалу.

План

1. Відкриття інфрачервоних та  ультрафіолетових променів.
2. Дія інфрачервоних та  ультрафіолетових променів, їх застосування у медицині.
3. Відкриття «Х»-променів (рентгенівських), їх природа та властивості
4. Застосування «Х»-променів (рентгенівських) у медицині.

 Викладач. З попередніх тем ми дізнались, що за межами спектру видимого світла око людини нічого не бачить. Проте  за допомогою спеціальних приладів, чутливих до електромагнітного випромінювання, були відкриті інфрачервоні та ультрафіолетові промені. Вивчаючи властивості, дію вищезгаданих променів, ми встановили, що в них поєднується позитивне і негативне, корисне і шкідливе. В цьому полягає один із фундаментальних законів природи: закон єдності та боротьби протилежностей. Цей закон справедливий і для інших явищ природи та суспільного життя, в чому ви ще не раз переконаєтесь.

 Наш  давній приятель - видиме світло має трьох  молодших братів - інфрачервоне і ультрафіолетове випромінювання, та рентгенівські промені. Дев'ятнадцяте століття виявилось щасливим для фізиків.  В останні роки були відкриті рентгенівські променів.             

 

 "Відкриття рентгенівських променів поклало початок  нової плідної епохи у фізиці,  де відкриття фундаментальної значимості відбувались майже безперервно одне за одним".

          Е.Резерфорд

 Випромінюване джерелом світло несе з собою певну енергію, і ця енергія якимось чином розподіляється по хви­лях всіх довжин (чи частот), що входять до складу світлово­го пучка. Які промені несуть на екран більше енергії, а які менше, можна визначити експериментально. Для цього слід за допомогою призми дістати на екрані спектр і, поміщаючи в різні місця спектра чутливий термометр, за його показан­нями оцінити кількість поглинутої енергії. Чутливим термометром може бути термопара із спаєм, покритим тонким шаром сажі. Сажа майже повністю поглинає світло будь-якої довжини хвилі, тому такий шар поглинає випромінювання, яке падає на нього, і нагрівається. ЕРС, збуджувана при цьому, вимірюється гальванометром. Чим більше енергії несе випромінювання, тим більша ЕРС виникає в термопарі.

 Дослідження спектра білого світла показують, що випромінювана джерелом енергія розподіляється нерівномірно між хвилями різної довжини. Найбільша кількість енергії припадає на червону частину спектра, а найменша — на фіолетову.

 Здавалося б, що коли помістити спай термопари за чер­воний край спектра, де око не бачить жодного променя, він не нагріватиметься. Однак спай нагрівається навіть сильніше, ніж у червоній чи зеленій частині. Це означає, що джерело білого світла також випромінює промені, які не сприй­маються оком, довжина хвилі яких більша, ніж у червоних променів. Промені, які містяться в спектрі за червоними, називають інфрачервоними. їх випромінює будь-яке нагріте тіло навіть тоді, коли воно не світиться. Наприклад, батареї опалення в кімнаті випромінюють інфрачервоні промені, які викликають помітне нагрівання навколишніх тіл. Тому інфрачервоні промені часто називають тепловими.

 Інфрачервоні промені мають довжину хвилі 0,76 нм — 3,5 нм. До речі, інфрачервоні промені сильно поглинаються звичайним склом, тому для їх дослідження слід користуватися лінзами і призмами з кам'яної солі.

 Термопара, поміщена за фіолетовий край спектра, так само виявляє підвищення температури, проте дуже незначне. Тому можна зробити висновок, що джерело білого світла випромінює невидимі оком електромагнітні хвилі з довжиною хвилі меншою, ніж у фіолетових. Вони дістали назву ультрафіолетових. Ці промені відзначаються сильною хімічною і фізіологічною дією. Якщо за фіолетовий край спектра помістити фотопапір, він швидко чорніє.

 Ультрафіолетові промені мають довжину хвиль від 0,4 мкм до 0,5 нм. Ці промені так само сильно поглинаються звичайним склом, і тому для дослідження їх властивостей слід користуватися кварцовими лінзами і призмами.

 Інфрачервоні та ультрафіолетові промені знайшли широ­ке застосування в різних галузях народного господарства. В техніці інфрачервоні промені використовують для сушіння різних матеріалів. Сучасні інфрачервоні сушильні установки на автомобільних заводах являють собою тунелі, на внут­рішніх поверхнях яких встановлені інфрачервоні випро­мінювачі. Змонтований і пофарбований автомобіль повільно рухається тунелем і виходить з нього сухим. Сушіння триває 4—5 хвилин. Але, мабуть, найбільш цікавими застосування­ми інфрачервоних променів є створення приладів нічного бачення, які дають можливість вести спостереження вночі, а також фотографування в інфрачервоних променях.

 Довгохвильові ультрафіолетові промені (2,8-10^-7 м — 3,2 • 10^-7 м) у невеликих дозах цілюще впливають на організм людини. Поглинаючись тканинами, вони не лише сприяють утворенню захисного пігменту, а й посилюють процеси життєдіяльності організму, благодійно впливають на його розвиток і ріст, на центральну нервову систему тощо.

 Короткі ультрафіолетові промені мають сильну бактерицидну дію (вбивають бактерії). Тому їх застосовують для дезінфекції повітря в операційних, інфекційних відділеннях лікарень, а також у місцях великого скупчення людей (театри, школи тощо).

Ультрафіолетові промені використовуються і у фотографії для виявлення прихованих написів або стертого тексту, оскільки багато речовин під час поглинання ультрафіолетових променів починають випромінювати видиме світло. Це явище використовується в лампах денного світла та в деяких інших випадках.

 Цікава і драматична історія відкриття рентгенівських променів. Перші вакуумні трубки для одержання Х-променів (таку наз­ву спочатку мало невідоме випромінювання) були створені видатним фізиком, українцем за походженням Іваном Пулюєм, який три­валий час жив і працював у Австрії. Він першим довів, що випромінювання з ваку­умних трубок, по яких проходить електрич­ний струм, має хвильові властивості. Уче­ний не тільки встановив їхню природу, а й дослідив їхні основні властивості. Одержані І. Пулюєм фотознімки внутрішніх органів людини дотепер публікуються в навчальній літературі. Однак сталося так, що про відкриття нового виду електромагнітно­го випромінювання першим повідомив ні­мецький фізик В. Рентген у 1895 р. Після публікацій В. Рентгена відкрите випроміню­вання почали називати рентгенівським.

Демонстрація уривку відеофільму "Життя і діяльність

Івана Пулюя".

Викладач. Серед усіх видів електромагнітного вип­ромінювання особливе місце посідають рент­генівські промені. У повсякденному житті ми часто стикаємося з цією назвою, особливо тоді, коли довідуємося про стан свого здо­ров'я, проходячи обстеження в «рентгенівсь­кому» кабінеті лікарні чи поліклініки. Довжи­на хвилі цього випромінювання менша 6 нм.

Для генерування рентгенівського випро­мінювання застосовують спеціальні електрон­ні прилади, які називають рентгенівськими трубками. Це скляний або метале­вий балон, з якого викачане повітря. У ба­лоні змонтовано два електроди, один з яких (катод) підігрівається спеціальною спіраллю, по якій пропускають електричний струм. Унаслідок нагрівання з катода вилітає потік епектронів, і навколо нього утворюється електронна хмарка. Якщо до катода і другого електрода (анода) прикласти високу напругу, то електрони почнуть рухатися від катода до анода, прискорюючись електричним полем у проміжку катод—анод. Унаслідок гальмуван­ня електронів речовиною анода з'являється електромагнітне випромінювання, яке діста­ло назву рентгенівського. Спектр цього вип­ромінювання досить широкий і містить різні довжини хвиль, а тому є суцільним. Це по­яснюють тим, що електрони, які потрапля­ють на анод, мають різні швидкості. Збіль­шення прискорювальної напруги між анодом і катодом зумовлює розширення спектра, в якому з'являються хвилі все меншої довжи­ни. За досить високої напруги у рентгенів­ському випромінюванні починають перева­жати хвилі певних довжин. Вони утворюють так званий характеристичний спектр рент­генівського випромінювання. За цим спек­тром визначають внутрішню будову речовини та її хімічний склад.

Спосіб вимірювання довжини хвиль рентгенівського випромінювання запропо­нував німецький фізик М. Лауе в 1912 р. У його основу покладено явище дифракції цих хвиль на природних кристалах, які для рентгенівських променів є своєрідними ди­фракційними ґратками.

Властивості рентгенівського випромінювання.

1. Рентгенівські промені рухаються прямолінійно не відхиляючись в електричному і магнітному полях.
2. Володіють великою проникною здатністю.
3. Викликають фотохімічну дію.
4. Володіють біологічною та іонізуючою діями.

Рентгенівське випромінювання має вели­ку проникну здатність, тому його викорис­товують у промисловості для дослідження внутрішньої будови та виявлення дефектів металевих деталей.

Це випромінювання чинить сильну фізіо­логічну дію на людський організм і може за тривалого впливу спричинити важкі, часто невиліковні недуги. У зв'язку з цим лікарі не рекомендують знаходитися близько біля електронних приладів, які працюють під ви­сокою напругою. Одним із таких приладів є кінескоп телевізора чи комп'ютера. Оскільки електрони в кінескопі прискорюються висо­кою напругою (десятки тисяч вольт), то від екрана, на який потрапляють електрони, по­ширюються рентгенівські промені. Хоча їхня інтенсивність не така велика, як у спеціально виготовлених рентгенівських трубках, однак тривала дія на організм людини може при­звести до захворювання.

Застосування  рентгенівських променів.

1. У медицині ці промені використовують для встановлення правильного діагнозу, а також для лікування онкозахворювань.
2. У наукових дослідженнях за допомогою рентгеноструктурного аналізу вдається розшифрувати будову складних сполук (білків, молекули гемоглобіну, тощо).
3. На основі Х-променів розроблено  метод виявлення раковин у виливках, тріщини у рейках, перевірки якості зварних швів та ін.

Застосування рентгенівських променів у медицині.

 Рентгенівські промені мають широке застосування в медицині, техніці, наукових дослідженнях. В медицині затосовуються з лікувальною і діагностичною метою. Вони мають велику проникливу здатність, тому вільно проходять через речовини з малою атомною масою (м'язеві тканини) і помітно поглинаються атомами важких елементів (кістками). При рентгенівських знімках відбувається розподіл освітленості: м'язева тканина дає слабку тінь, а кістки - більш сильну. Завдяки цьому їх використовують для виявлення змін в організмі.

 Рентгенівські промені застосовують і з лікувальною метою. В цьому випадку використовують іонізуючі  і бактеріоцидні властивості рентгенівських променів. при проходженні через тканини організму вони викликають інтенсивну іонізацію молекул і згубно діють на осередки інфекції і злоякісні пухлини. Злоякісні пухлини, клітини яких мають підвищену чутливість до Х-променів, руйнуються або стримують ріст. При цьому здорові тканини не пошкоджуються.

 Існує два методи рентген-діагностики: рентгеноскопія і рентгенографія.

 При рентгеноскопії хворого поміщують між рентгенівською трубкою і екраном. При проходженні Х-променів через тіло хворого, вони поглинаються м'якими тканинами і кістковою речовиною по-різному. Завдяки цьому одні ділянки екрану світліші - на них попадає більше Х-променів, інші - більш темніші і на екрані виникає тіньове зображення внутрішніх органів людини.

 При рентгенографії екран замінюють фотоплівкою великого розміру, яка знаходиться в спеціальній касеті, непрозорій для променів видимого світла. під дією рентгенівських променів фотоплівка темніє пропорційно  падаючому на неї випромінюванню. Отриманий при цьому знімок дає негативне зображення по відношенню до картини, що спостерігалась на екрані: темні місця на екрані - світлі на знімку, і навпаки. Фотографія дає чіткіше зображення: на ній можна розглянути більше деталей і зробити необхідні вимірювання. Її можна вивчати порівняно довше, бо час знаходження хворого під дією рентгенівського випромінювання, по можливості, має бути обмежений.

ІV. Закріплення вивченого матеріалу.

1. Розв'язування задач.

Задача 1.

Яку напругу треба створити між електродами рентгенівської трубки, щоб при ККД трубки  1% отримати випромінювання з довжиною хвилі 0,01 нм?

Відповідь. 12,4 МВ.

Задача 2.

З якою швидкістю летить електрон, якщо при його різкому тормозінні виникає рентгенівське випромінювання з довжиною звилі 0,6 нм?

Відповідь. 27 Мм/с.

2. Розгадування ребусів.

V. Заключна частина.

Підведення підсумків. Виставлення оцінок.

Домашнє завдання.

Опрацювати тему: « Шкала електромагнітного випромінювання. Інфрачервоні, ультрафіолетові, рентгенівські промені. Їх властивості та застосування».  

Література:

С.У.Гончаренко. Фізика. Підручник для 11 класу,- с.137-143.