Рентгенівське випромінювання

________

План-конспект

уроку фізики  у 11 класі

Тема уроку:  Рентгенівське випромінювання

Мета уроку: навчальна – сформувати поняття про рентгенівське випромінювання

  розвивальна –формувати в учнів вміння користуватися науково-популярною літературою та виявлення творчих здібностей при розв’язуванні вправ;

виховна – виховати трудолюбивість, точність і чіткість при відповідях  і розв’язуванні завдань та навчити дітей  «бачити» фізику навколо себе.

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу

Обладнання: дошка, крейда.

План уроку

1. Відкриття і властивості рентгенівського випромінювання

2. Рентгенівські спектри

3. Застосування рентгенівського випромінювання в науці, техніці, медицині, на               виробництві.

І. Організаційна частина (привітання, перевірка д/з)

ІІ. Мотивація пізнавальної діяльності

Оголошення теми і мети уроку

ІІІ. Вивчення нового матеріалу

Відкриття і властивості рентгенівського випромінювання. Наприкінці XIX ст. загальну увагу фізиків привернув газовий розряд під малим тиском. У газорозрядній трубці виникав потік частинок невідомої природи. Оскільки свій початок воно брало на катоді трубки, проміння називали катодним. Пізніше було з'ясовано, що катодне проміння - це потік електронів.

Досліджували катодне проміння Іван Пулюй та Вільям Рентген. І. Пулюй досліджував катод­не проміння за 10 років до відкриття В. Рентге­на. Вінпомітив, що фотопластинка поблизу газо­розрядної трубки засвічувалась навіть тоді, коли трубка була обгорнута чорним папером. Таким чином, йому вдалось встановити, що невідомі промені, які виникають під час роботи трубки, здатні виходити за її межі. Якщо між трубкою і фотопластинкою розташовували якийсь пред­мет, невідомі промені проникали крізь нього і за­свічували фотопластинку. У такий спосіб до1890 р. І. Пулюй отримав «фотографії» скелета жаби та дитячої руки, які були опубліковані в журна­лах Європи. Зі своїми працями І. Пулюй ознайо­мив В. Рентгена, який і запатентував відкриття. Рентген назвав ці промені невідомої природи Х-променями. Ця назва збереглася донині в ан­гломовній та франкомовній науковій літерату­рі, ввійшовши в мови багатьох народів світу. У нашій країні ми частіше використовуємо назву рентгенівське випромінювання, хоча поправу його можна назвати пулюївське проміння.

Рентгенівські промені утворюються під час гальмування швидких електронів. Навколо потоку цих електронів існує магнітне поле, оскільки напрямлений рух електронів є електричним струмом. У момент удару об перешкоду і різкого гальмування електрона його магнітне поле швидко змінюється, і в простір випромінюється електромагнітна хвиля, довжина якої тим менша, чим більша швидкість електрона до удару об перешкоду.

Рентгенівські промені добувають за допомогою спеціальних двох­електродних ламп (мал. 286), на які подається висока напруга порядку 50-200 кВ. Принцип дії рентгенівської трубки такий. Електрони, що їх ви­пускає розжарений катод рентгенівської трубки, прискорюються потужним електричним полем у просторі між анодом і катодом і з великою швидкістю ударяються об анод. При цьому з поверхні анода випромінюється рентгенів­ське проміння, яке виходить назовні крізь скло трубки.

Якщо ж електрони в прискорюючому полі набувають достатньо великої швидкості, щоб проникнути всередину атомів речовини анода і вибити один

із електронів його внутрішнього шару, то на його місце переходить електрон з віддаленішого шару з випромінюванням кванта великої енергії.Таким чином, рентгенівське випромінювання виникає внаслідок гальмування швидких елек­тронів у речовині та випромінюється під час енергетичних переходів електронів між рівнями внутрішніх оболонок атома. Рентгенівські промені розрізняють за їх жорст­кістю: чим коротша довжина хвилі рентгенівських променів, тим вони жорсткіші.Важливою особливістю рентгенівських проме­нів є їх висока проникна здатність. Чим жорсткіші рентгенівські промені, тим слабше вони поглина­ються і тим вища їх проникна здатність. Поглинан­ня рентгенівських променів речовиною залежить від її природи. Добре поглинають рентгенівські промені атоми важких елементів, незважаючи на те, до складу яких хімічних речовин вони входять.Як і будь-які електромагнітні хвилі, рентге­нівські промені не відхиляються в електричному і магнітному полях. Вони майже не заломлюють­ся, переходячи з одного середовища в інше. Цю властивість у поєднанні з їх високою проникною здатністю використовують у практичних, цілях в медицині, техніці, виробництві. Довгий час після відкриття рентгенівських променів не вдавалось встановити їх хвильові властивості - спостерігати їх дифракцію і виміряти довжину хвилі. Усі спроби використати дифракційні ґратки, призначені для подібних досліджень, не давали ніяких результатів. У 1912 р. німецький фізик М. Лауе запропонував використати для спостереження дифракції рентгенівських променів природ­ні кристали. Досліди показали, що вузький пучок рентгенівських променів, пройшовши крізь кристал, дає на екрані або фотоплівці складну дифракцій­ну картину. Одержувана дифракційна картина називається електроногра­мою. На мал. 287 для прикладу наведено електронограму кристала берилу (берил - мінерал класу силікатів). За допомогою електронограм визначають структуру речовини - розташування атомів у кристалах даної речовини.

Вивчення дифракційної картини, отриманої від кристала кам'яної солі, дало змогу визначити довжину хвилі рентгенівського випромінювання, оскільки відстань між вузлами цієї кристалічної ґратки відома. Було з'ясовано, що довжина хвилі рентгенівських променів в десятки і сотні разів менша за довжину хвилі видимого світла. Стало зрозуміло, чому оптичні дифракційні ґратки не давали потрібних результатів.

Досліди з дифракції рентгенівського випромінювання, у свою чергу, допомо­гли утвердитися гіпотезі де Бройля щодо хвильових властивостей частинок.

Рентгенівські спектри. Розглянемо особливості спектра випромінювання рент­генівської трубки. Вигляд типового рентге­нівського спектра наведено на мал. 288. Як видно з малюнка, рентгенівський спектр -це неперервний спектр, який обмежується граничною довжиною хвилі ^₀ та має характерні максимуми, що накладаються на неперервний спектр.

Якщо енергія електронів, що бомбардують анод, не дуже велика, то спостерігається лише гальмівне випромінювання, саме воно має непе­рервний спектр, обрізаний на довжині хвилі Х,₀, яка залежить лише від прикладеної до трубки напруги. З підвищенням напруги неперервний спектр та його гранична довжина хвилі будуть зміщуватись вліво.

Якщо ж енергія електронів достатня для виривання електронів із вну­трішніх оболонок атомів речовини анода, то виникають характерні лінії. їх положення не змінюється зі зміною напруги. Це свідчить про те, що частота цих ліній залежить від природи речовини, з якої виготовлено електрод (тому випромінювання називають характеристичним). Природу лінійчатого спек­тра характеристичного рентгенівського випромінювання можна зрозуміти, виходячи з уявлень про будову атома. Кількість електронів в атомі визна­чається зарядом їхнього ядра. Згідно з положеннями квантової механіки ці електрони можуть мати лише певні дискретні значення енергії, розташо­вуючись на певних орбіталях. Зовнішні електрони атомів визначають їхні хімічні властивості та оптичні спектри. Електрони внутрішніх оболонок обертаються навколо ядер із великою швидкістю й мають значну енергію. Спектр значень цієї енергії характерний для атома кожного хімічного еле­мента і не залежить від того, до якої сполуки входить хімічний елемент.

Характеристичне випромінювання виникає в тому випадку, коли внас­лідок зіткнення зі швидким електроном, один із електронів внутрішньої оболонки покидає атом. Переходячи на незайнятий рівень, зовнішній електрон випромінює в рентгенівській області спектра, й частота цього випромінювання залежить від сорту атома й тих орбіталей, між якими відбувається перехід. Частоти визначені для кожного хімічного елемента й не залежать від типу хімічних зв'язків.

Залежність від речовини виявляється тільки в тому, що зі збільшенням порядкового номера елемента в системі Менделєєва весь його характерис­тичний рентгенівський спектр зміщується у бік коротших хвиль. Г. Мозлі в 1913 р. показав, що квадратний корінь з частоти (або величини, оберненої до довжини хвилі) даної спектральної лінії пов'язаний лінійною залежніс­тю з атомним номером елемента 2. Закон Мозлі відіграв дуже важливу роль у фізичному обґрунтуванні періодичної системи Менделєєва.

Проаналізуємо на підставі квантової теорії світла неперервний спектр рентгенівського випромінювання.

Швидкі електрони, ударяючись об перешкоду, можуть втрачати або час­тину своєї кінетичної енергії або всю кінетичну енергію. (Майже 99% своєї енергії електрони можуть віддавати на теплоту, тому рентгенівські трубки охолоджують.) Неперервний характер спектра рентгенівського випроміню­вання вказує на те, що електрони втрачають довільні значення енергії. Ко­роткохвильова межа рентгенівського випромінювання відповідає випадку, коли вся кінетична енергія електрона витрачається на випромінювання од­ного фотона. Довжина хвилі такого фотона, де Е_к – кінетична енергія електрона, яка надається йому прискорюючим електричним полем Е_к = ell. Розрахована у такий спосіб величина А.₀ точно збігається з експери­ментальними даними.

Застосування рентгенівського випромінювання в науці, техніці, медицині, на виробництві. Як ми з'ясували, кожен елемент дає свій характеристичний спектр незалежно від того, чи цей елемент до випускання рентгенівських променів перебуває у вільному стані чи в хімічному з'єднанні. Ця особливість характеристичного спектра рентгенівських променів використовується для ідентифікації різних елементів у складних з'єднаннях і є основою рентгеноспектрального аналізу.

Рентгеноспектральний аналіз - це розділ аналітичної хімії, який вико­ристовує рентгенівські спектри елементів для хімічного аналізу речовини.

Найбільш широко рентгеноспектральний аналіз застосовують у металургії та геології для визначення макро- і мїкрокомлонентів; для визначення вмісту РЬ і Вг в нафті і бензинах, сірки в газоліні, домішок у мастилах та продуктах зношування в машинах; для аналізу каталізаторів; для експресних силікатних аналізів та ін.

Важливою сферою застосування рентгенівських променів є рентге­нографія металів і сплавів, яка перетворилася на окрему галузь науки. Рентгенографія охоплює різні способи використання рентгенівських променів - рентгенівську дефектоскопію (просвічування), рентгеноспек­тральний аналіз, рентгеноструктурний аналіз, рентгенівську мікроскопію та інше.

Рентгенівська спектроскопія для отримання спектра використовує явище дифракції променів на кристалах. Дифракція рентгенівських променів є основним методом визначення структури кристалів. Методами рентгеноструктурного аналізу вивчають метали, сплави, мінерали, неорганічні та органічні сполуки, полімери, аморфні матеріали, рідини і гази, молекули білків, нуклеїнових кислот і т.д.

Для проведення численних досліджень за допомогою рентгенівських променів використовують спеціальні установки - синхротрони.

На сьогодні у світі є близько 70 синхротронів. Рентгенівське випро­мінювання, що отримується на синхротроні, дуже інтенсивне і дозволяє аналізувати структуру матерії з дуже високою роздільною здатністю.

Властивості рентгенівських променів широко використовуються в ме­дицині для виявлення змін в організмі (рентгенодіагностика) та для ліку­вання злоякісних пухлин. Хворі клітини і тканини організму мають підвищену чутливість до дії рентгенівських променів, тому відповідною дозою випромінювання можна стримувати ріст і навіть руйнувати хворі клітини організму, не пошкоджуючи інших органів.

ІV. Підсумок уроку.

   V. Домашнє завдання: опрацюватии § 77 ст., дати в-ді на питання після параграфа.