1. Что такое дисперсия света? Где используется спектральный анализ?
2. В чём суть фотоэффекта? Что такое люминесценция? Где она используется?
3. В чём особенность лазерного излучения? Где используются лазеры?
4. Каковы особенности инфракрасного излучения?
5. Каковы особенности ультрафиолетового излучения? Где оно используется?
ЛЕКЦИЯ 13
Рентгеновские лучи
План лекции:
1. Природа рентгеновских лучей и их свойства
2. Рентгеновская аппаратура
3. Применение рентгеновских лучей
1. Природа рентгеновских лучей
За ультрафиолетовыми лучами располагается зона рентгеновских лучей. Эти лучи имеют очень малую длину волны, соизмеримую с расстоянием между атомами в твёрдом теле. У этих лучей очень высокая энергия квантов и поэтому их свойства отличаются от свойств всех остальных видов электромагнитных излучений, длина волны которых меньше, чем у рентгеновских лучей. Своё название эти лучи получили по имени немецкого учёного В.К.Рентгена, который в 1895 году это излучение открыл. Он заметил, что газоразрядная трубка, находящаяся под высоким напряжением между её электродами испускает излучение, которое не воспринимается органом зрения человека, но заставляет светиться экран, покрытый слоем платиностнеродистого бария. Рентген назвал это неизвестное никому излучение Х-лучами.Позже выяснилось, что это излучение ионизирует воздух, засвечивает фотоматериал. Они не отражаются от поверхности твёрдого тела и не преломляются при прохождении из одной среды в другую. Иными словами, они не подчиняются ни зеркалам, ни линзам, ни призмам. Это как раз и объясняется тем, что длина волны рентгеновских лучей соизмерима с расстоянием между атомами в веществе. Они обладают высокой проникающей способностью, могут пройти через тело человека, через дерево, через лёгкие металлы. Однако они задерживаются тяжёлыми металлами, например, свинцом. Они также вызывают фотоэффект на поверхности металлов. Для живых клеток они опасны и при достаточной интенсивности вызывают их гибель. Это свойство используется при лечении рака. Раковые клетки гибнут. Но вместе с ними гибнут и здоровые клетки, но здоровые клетки восстанавливаются, а раковые – нет. Но в медицине рентгеновские лучи наиболее широкое применение имеют в диагностике. Об этом будет сказано ниже.
Давайте рассмотрим механизм излучение рентгеновских лучей. Для того, чтобы эти лучи испускались, нужно иметь источник быстрых электронов и мишень, которая их тормозит. Эта мишень должна представлять собой пластину из металлов с большой атомной массой.:
2. Рентгеновская аппаратура
Для испускания рентгеновских лучей служит специальная аппаратура, главной её частью является специальная вакуумная трубка, имеющая два электрода. Один из этих электродов нагревается электрическим током и из него вылетают электроны. Называется такой электрод катодом.Другой электрод располагается на небольшом расстоянии и служит мишенью для электронов. Называется такой электроданодом илиантикатодом. Ниже приводится схематический чертёж рентгеновской трубки и схема её включения.
В данной конструкции трубки антикатод (анод) изготовлен из вольфрама, поскольку вольфрам имеет большой порядковый номер в таблице Менделеева, кроме того, данный металл является самым тугоплавким из всех металлов. Это важно потому, что при интенсивной бомбардировке электронами поверхность анода сильно разогревается и если материал анода недостаточно легкоплавкий, то он быстро расплавится и трубка выйдет из строя.
Поток рентгеновского излучения вычисляется по формуле:
Ф = kIU2Z
Здесьk= 1*10-9В-1– коэффициент пропорциональности;
Z– порядковый номер вещества анода;
I- ток анода;
U- напряжение на аноде
Отсюда видно, что чем выше напряжение на аноде и чем больше порядковый номер вещества анода, тем больше поток рентгеновского излучения. А величина тока анода зависит от температуры катода. Чем выше его температура, тем больше электронов вылетает из него за 1 секунду и тем больше поток рентгеновского излучения. Если нужно регулировать интенсивность рентгеновских лучей, то при этом регулируют температуру катода. Для этого в цепь нити накала катода включается регулировочный реостат, который позволяет регулировать силу тока нити накала от нуля до максимума. На схеме этот регулятор показан с обозначением «интенсивность». При работе с рентгеновским аппаратом нужно регулировать степень проникающую способность рентгеновских лучей. Чем меньше длина волны рентгеновского излучения, тем больше их проникающая способность. Поэтому, для регулировки длины волны нужно изменять напряжение на аноде рентгеновской трубки. Зависимость минимальной длины волны рентгеновского излучения от напряжения на аноде выражается формулой:
min = 12.3/U
Здесь U– напряжение на аноде в киловольтах.
На схеме в анодную цепь введён ещё один регулировочный реостат, с помощью которого можно регулировать напряжение на аноде трубки. На практике, минимальное напряжение, при котором излучается мягкое рентгеновское излучение, равно 50 кВ., а максимальное напряжение, при котором излучается жёсткое излучение, равно около 250 кВ. На схеме этот реостат обозначен надписью «жёсткость».
Таким образом, оба эти регулятора позволяют полностью использовать все возможности рентгеновской трубки.