добра фізика 3: Пулюївське випромінювання

Рентгенівське або Х-випромінювання

Х-промені

1. Історія відкриття Х-променів

Рентгенівське випромінювання – це електромагнітні хвилі з довжиною від 80 нм до 10^-5 нм які займають спектральну область між гамма- та ультрафіолетовим випромінюванням.
У медицині для рентгенодіагностики і рентгенотерапії застосовують рентгенівське випромінювання з довжиною хвиль від 10 нм до 10^-3 нм.

Вперше про відкриття Х-променів, які виникали при співударі швидких електронів з речовиною було повідомлено у листопаді 1895 р. німецьким фізиком Вільямом Рентгеном.

Задовго до перших досліджень Рентгена Х-промені відкрив український фізик світового рівня, родом з Тернопільщини, Іван Пулюй (1845-1918 р.). Народився Іван у містечку Гримайлові. Після завершення навчання у Тернопільській гімназії закінчив теологічний і філософські факультети Віденського університету, а у 1877 році в Страсбурзі захистивши дисертацію з фізики здобув науковий ступень доктора натуральної філософії. У 1884 році Міністерство освіти Австрії призначає І.Пулюя професором експериментальної і технічної фізики Німецької вищої технічної школи у Празі, а через п’ять років його обирають ректором цього ж навчального закладу.

За видатні наукові і педагогічні досягнення з фізики та електротехніки в 1906 році І.Пулюй був нагороджений орденом Залізної корони, в 1910 році отримав титул радника цісарського двору.

Важко переоцінити роль І.Пулюя у дослідженні Х-променів. Ще на початку 1895 року І.Пулюй спостерігав дію невидимих променів, проте не поспішав повідомляти про них науковий світ. Після попереднього повідомлення про відкриття нового виду променів, яке Рентген зробив 28 грудня 1895 року, І.Пулюй 13 лютого і 5 березня 1896 року опублікував дві статті про виникнення та фотографічну дію Х-променів, і лише 9 березня 1896 року та у травні 1897 року з’являються статті Рентгена, присвячені результатам досліджень властивостей Х-променів. Крім того І.Пулюю належить першість у відкритті іонізаційної здатності Х-променів, у дослідженні їх просторового розподілу та поясненні механізму виникнення.

Мал. 1 Трубка Пулюя

Рентгенівські (Х промені) виникають у трубках Пулюя – скляних балонах, з яких викачено повітря до тиску 10^-6–10^-7 мм рт.ср. і в які впаяні катод і анод (мал.1). Останній зроблений з тугоплавкого металу. Спіраль катода розігрівається електричним струмом від джерел розжарювання U_p і випромінює електрони, які прискорюючись електричним полем бомбардують анод, у результаті чого виникає Х-випромінювання.

Мал. 2

Інтенсивність Х-випромінювання φ пропорційна квадратові напруги між анодом і катодом U, атомному номеру речовини анода Z і силі струму i:

Φ = kU²Zi,

де k - коефіцієнт пропорційності.

2. Гальмівне Х-випромінювання

Гальмівне Х-випромінювання виникає у результаті гальмування швидких електронів 10^-4-10^-5 еВ (1 еВ – енергія, яку набуває електрон рухаючись в електричному полі між точками, різниця потенціалів між якими рівна 1 В) електростатичним полем атомних електронів речовини анода.

Нехай вся кінетична енергія електрона перетворюється в енергію фотона

eU = hν_max або eU = hc/λ_min,

звідки легко знайти λ_min

λ_min = hc/(eU)

де λ_min - мінімальна довжина рентгенівського випромінювання при даному U.

Характер суцільного спектру гальмівного рентгенівського випромінювання залежить від матеріалу анода.

Спектр гальмівного Х-випромінювання є суцільним і залежить від прикладеної напруги між катодом і анодом.

3. Характеристичне Х-випромінювання

Характеристичне Х-випромінювання виникає після іонізації атома, при якому відбуваються електронні переходи в оболонках наближених до ядра.

При збільшенні напруги між катодом і анодом спектр Х випромінювання буде змінюватися у бік коротких хвиль як і у випадку гальмівного випромінювання.

Мал. 3

Характеристичний (лінійчатий) спектр зумовлений вибиванням прискорених електронів із внутрішніх шарів атома, в результаті чого випромінюються γ-кванти.

Характеристичні спектри атомів, на відміну від оптичних, у сполуках і у вільному стані мають однаковий вигляд.

Застосування Х-променів