20) Рентгенівське віпромінювання

Рентге́нівське випромі́нювання, пулюївське випромінювання або Х— короткохвильове електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі від 10 нм до 0.01 нм. В електромагнітному спектрі діапазон частот рентгенівського випромінювання лежить між ультрафіолетом та гамма-променями Рентгенівське випромінювання виникає від різкого гальмування руху швидких електронів у речовині, при енергетичних переходах внутрішніх електронів атома. Воно використовується у науці, техніці, медицині. Рентгенівське випромінювання змінює деякі характеристики гірських порід, наприклад, підвищує їх електропровідність. Короткочасне опромінення кристалів кам’яної солі знижує їхнє внутрішнє тертя. Назва рентгенівське випромінювання походить від прізвища німецького фізика Вільгельма Конрада Рентґена. Інша назва - пулюївське випромінювання походить від імені українського фізика Івана Пулюя.

Ренгенівське випромінювання використовуються для флюорографії, рентгенівського аналізу і в кристалографії для визначення атомарної структури кристалів.

Суцільний та характеристичний спектр випромінювання Рентгенівське проміння виникає при бомбардуванні швидкими електронами пластинки анода в електронно-променевій трубці. Розрізняють суцільний та характеристичний спектри випромінювання.

Якщо енергія електронів, які падають на анод, менша за певну властиву матеріалу анода величину, то спостерігається тільки гальмівне випромінювання. Спектр цього випромінювання суцільний, починається на певній частоті, яка залежить лише від прикладеної напруги, й не залежить від матеріалу анода, спочатку його інтенсивність росте за частотою, досягає максимуму й потім зменшується.

Характеристичне випромінювання виникає при більших прикладених напругах. Свою назву воно отримало завдяки тому факту, що воно характеризує матеріал анода. Характеристичне випромінювання має лінійчатий спектр. Воно відповідає квантовомеханічним переходам між різними орбіталями атомів. При зіткненні електронів із анодом, вони можуть вибити із атомів анода внутрішній електрон. Характеристичне випромінювання виникає, коли один із зовнішніх електронів переходить на звільнену орбіталь. Спектральні лінії характеристичного випромінювання розбиваються на серії, які позначають великими латинськими літерами K, L, M, N.

Природу лінійчатого спектру характеристичного рентгенівського випромінювання можна зрозуміти, виходячи з уявлень про будову атома. Кількість електронів у атомах визначається зарядом їхніх ядер. Згідно з положеннями квантової механіки ці електрони можуть мати лише певні дискретні значення енергії й розташовуватися 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. Значення цієї енергії характерне для кожного хімічного елемента й для кожної орбіталі у ньому. Оскільки внутрішні електрони атомів не беруть участі в хімічних зв'язках, то їхня енергія не змінюється в залежності від сполуки, до якої входить той чи інший хімічний елемент.

Характеристичне випромінювання виникає в тому випадку, коли внаслідок зіткнення зі швидким електроном, один із внутрішніх електронів покидає атом. Переходячи на незайняту орбіту, зовнішній електрон випромінює в рентгенівській області спектру, й частота цього випромінювання залежить від типу атома й тих орбіталей, між якими відбувається перехід. hν = E2 − E1, де ν — частота, а h — стала Планка. Частоти Ei визначені для кожного хімічного елемента й не залежать від типу хімічних зв'язків, утворених атомом, бо в утворенні хімічних зв'язків беруть участь лише зовнішні електрони. Ці факти лежать в основі рентгенівського аналізу хімічного складу речовин.

Поглинання Рентгенівські промені слабо взаємодіють із речовиною, завдяки чому мають велику проникність. Проте вони поглинаються в тому випадку, коли їхня енергія вища за енергію внутрішніх електронів атомів. На відміну від лінійчатих спектрів випромінювання спектр характеристичного поглинання складається зі с щоразу, коли енергія кванта випромінювання перевищує енергію електрона на певній орбіталі.

Крім поглинання рентгенівські промені також розсіюються в речовині, змінюючи напрям розповсюдження.

Дифракція Довжина хвилі рентгенівських променів одного порядку із характерними сталими ґратки кристалічних речовин. Тому атоми кристалів утворюють природні дифракційні ґратки для рентгенівських променів. Розсіяння рентгенівського випромінювання на цих ґратках використовується для визначення кристалічної структури речовин. Саме таким методом, в 1953 р. була розшифрована структура ДНК.

Опромінення Ренгенівські промені мають велику енергію — десятки й сотні кілоелектронвольт. Незважаючи на те, що вони слабо взаємодіють із речовиною, така взаємодія все ж існує, й при поглинанні вивільняється велика кількість енергії, що може призвести до безповоротних пошкоджень у клітині живого організму. Тому рентгенівські промені небезпечні й робота з ними вимагає особливої уваги. Доза опромінення вимірюється у берах — біологічних еквівалентах рентгена.

21) Зовнішній фотоелектричний ефект та його закони. Фотоефект — явище «вибивання» світлом електронів із металів. Щоб вивільнити електрон із металу йому необхідно передати енергію, більшу за роботу виходу. Теоретичне пояснення явища дав Ейнштейн, він використав гіпотезу Макса Планка про те, що світло випромінюється порціями (квантами) із енергією, пропорційною частоті. Припустивши, що світло і поглинається такими ж порціями, він зміг пояснити залежність швидкості вибитих електронів від довжини хвилі опромінення.

або

Три закони фотоефекту: 1. Кількість фотоелектронів прямо пропорційна інтенсивності світла. 2. Максимальна кінетична енергія фотоелектронів не залежить від інтенсивності світла, кінетична енергія фотоелектронів прямо пропорційна частоті світла. 3. Для кожної речовини існують порогові значення частоти та довжини хвилі світла, які відповідають межі існування фотоефекту; світло з меншою частотою та більшою довжиною хвилі фотоефекту не викликає.

22) Рівняння Ейнштейна для зовнішнього фотоефекту. Зовнішній фотоефект - явище вибивання електронів з поверхні тіла під дією електромагнітного випромінювання. Для того щоб електрон покинув тверде тіло або рідину, він має виконати роботу виходу A_вих, тобто подолати енергетичний бар'єр взаємодії з атомами і молекулами, які утримують його всередині тіла. За квантовою теорією поглинання світла, це передавання фотоном усієї своєї енергії мікрочастинкам речовини. Отже, фотоефект може відбутися лише за умови, що фотон має енергію більшу за роботу виходу ( ); якщо ж , то фотоефект неможливий. Якщо енергія фотона, передана електрону внаслідок поглинання світла, більша за роботу виходу, то електрон набуває кінетичної енергії. Мінімальну частоту  (або максимальну довжину хвилі  ) випромінювання, яке ще викликає зовнішній фотоефект, називають червоною межею фотоефекту. Фотоелектрони — це електрони, вибиті з поверхні тіла внаслідок фотоефекту. Фізичний зміст роботи виходу в металів полягає в тому, що це мінімальна енергія, потрібна для виходу електрона з тіла у вакуум. Тому, крім хімічної природи металу, вона істотно залежить від стану поверхні тіла. За законом збереження енергії:

або

Це співвідношення називають рівнянням Ейнштейна для зовнішнього фотоефекту. 

23) Фотони. Ефект Комптона. Фотон — елементарна частинка, що є носієм електромагнітної взаємодії. Фотони не мають електричного заряду. Фотон – це особлива частинка, яка немає маси спокою. Енергія фотона: . - маса фотона. - маса спокою фотона. - енергія спокою фотона. - релятивійська маса. Оцінка маси . Імпульс фотона: . Тиск фотонів: 1) на поверхню, яка все поглинає , де - густина потоку фотонів, - імпульс; 2) поверхня все відбиває: ; 3) поверхня відбиває частково, з коефіцієнтом відбиття :

.

24) Елементарна теорія Бора для атома водню. Постулати Бора: 1) Кожний атом має певний стаціонарний стан в якому він не випромінює енергію і може знаходитись досить довго. Електрони в такому атомі рухаються по своїм стаціонарним орбітам, які повинні задовольняти квантовій умові. Квантова умова: , де момент імпульсу електрона, що рухається по орбіті з радіусом . Головне квантове число: 2) Випромінювання і поглинання енергії атомом завжди супроводжується переходами електронів з однієї орбіти на іншу. Енергія фотона, який випромінюється при цьому визначається, як різниця енергій відповідних електронних рівнів. Енергія фотона, що випромінюється атомом: Частота випромінювання:

2 5) Гіпотеза де-Бройля. Хвильові властивості речовини. Недоліки теорії Бора привели до необхідності переосмислення фізичної суті поведінки мікрочастинок. Де-Бройль запропонував вважати, що електрони та інші мікрочастинки треба розглядати не тільки, як класичні частинки, а також описувати їх рух за допомогою хвильових рівнянь подібно до фотонів. Для фотонів: - імпульс, де – частота; ; - довжина хвилі. Для електронів та інших мікрочастинок: , де – імпульс частинки. Дифракція швидких електронів:

Пучок електронів

Форма з металом

фотопластина

Хвильові властивості речовини були підтверджені експериментально, причому для кожної окремої мікрочастинки.

26) Квантово-механічне описання руху мікрочастинок. Співвідношення невизначеностей Гейзенберга. Квантова механіка має статистичний характер, визначається імовірність знаходження частинки в певній області. З точки зору квантової механіки не можна говорити про точне місце знаходження частинки, а саме про координати, швидкість або імпульс.

Ступінь міцності з якої визначається координата та імпульс частинки визначає співвідношення Гейзенберга: , де – стала Планка, - проекція P на вісь x. , де - проекція P на вісь . , де - проекція P на вісь . З співвідношення маємо, що точніше визначається координата, тим меншою стає точність визначення частинки і навпаки.