Положення на шкалі електромагнітних хвиль

Енергетичні діапазони рентгенівського випромінювання та гама-випромінювання перекриваються в широкій області енергій. Обидва типи випромінювання є електромагнітним випромінюванням і при однаковій енергії фотонів - еквівалентні. Термінологічна різниця лежить в способі виникнення - рентгенівські промені випускаються за участю електронів (або в атомах, або вільних) в той час як гамма-випромінювання випускається в процесах девозбужденія атомних ядер. Фотони рентгенівського випромінювання мають енергію від 100 еВ до 250 кеВ, що відповідає випромінюванню з частотою від 3.1016 Гц до 6.1019 Гц і довжиною хвилі 0,005 - 10 нм (загальновизнаного визначення нижньої межі діапазону рентгенівських променів в шкалі довжин хвиль не існує). М'який рентген характеризується найменшою енергією фотона і частотою випромінювання (і найбільшою довжиною хвилі), а жорсткий рентген володіє найбільшою енергією фотона і частотою випромінювання (і найменшою довжиною хвилі). Жорсткий рентген використовується переважно в промислових цілях.

 

Отримання

Рентгенівські промені виникають при сильному прискоренні заряджених частинок (гальмівне випромінювання), або при високоенергетічних переходах в електронних оболонках атомів або молекул. Обидва ефекти використовуються в рентгенівських трубках, в яких електрони, випущене катодом, прискорюються під дією різниці електричних потенціалів між анодом і катодом (при цьому рентгенівські промені не випускаються, так як прискорення занадто мало) і вдаряються про анод, де відбувається їх різке гальмування. При цьому випускаються рентгенівські промені, тобто гальмове випромінювання, і в той же час вибиваються електрони із внутрішніх електронних оболонок атомів анода. Порожні місця в оболонках займаються іншими електронами атома. При цьому випромінюється рентгенівське випромінювання з характерним для матеріалу анода спектром енергій (характеристичний випромінювання, частоти визначаються законом Мозлі: \ sqrt \ nu = A (Z - B), де Z - атомний номер елемента анода, A і B - константи для певного значення головного квантового числа n електронної оболонки). В даний час аноди виготовляються головним чином з кераміки, причому та їх частина, куди ударяють електрони, - з молібдену.

У процесі прискорення-гальмування лише близько 1% кінетичної енергії електрона йде на рентгенівське випромінювання, 99% енергії перетворюється в тепло.

Рентгенівське випромінювання можна отримувати також і на прискорювачах заряджених частинок. Так зване синхротронного випромінювання виникає при відхиленні пучка частинок у магнітному полі, в результаті чого вони відчувають прискорення в напрямку, перпендикулярному їх руху. Синхротронного випромінювання має суцільний спектр з верхньою межею. При відповідним чином вибраних параметрах (величина магнітного поля і енергія частинок) в спектрі синхротронного випромінювання можна отримати і рентгенівські промені. Ефект Комптона (Комптон-ефект) - явище зміни довжини хвилі електромагнітного випромінення внаслідок розсіювання його електронами. Виявлений американським фізиком Артуром Комптоном в 1923 році для рентгенівського випромінювання. У 1927 Комптон отримав за це відкриття Нобелівську премію з фізики.

 

При розсіюванні фотона на почилих Електроні частоти фотона \ \ nu і \ \ nu '(до і після розсіювання відповідно) пов'язані співвідношенням:

де - кут розсіяння (кут між напрямками розповсюдження фотона до і після розсіювання).

 

Перейшовши до довжин хвиль:

 

де - Комптонівська довжина хвилі електрона.

 

Для електрона м. Зменшення енергії фотона після рентгенівському розсіювання називається рентгенівському зрушенням. У класичній електродинаміці розсіювання електромагнітної хвилі на заряді (Томсонівське розсіювання) не супроводжується зменшенням її частоти.

 

Пояснити ефект Комптона неможливо в рамках класичної електродинаміки. З точки зору класичної фізики електромагнітна хвиля є безперервним об'єктом і в результаті розсіювання на вільних електронах змінювати свою довжину хвилі не повинна. Ефект Комптона є прямим доказом квантування електромагнітної хвилі, іншими словами підтверджує існування фотона. Ефект Комптона є ще одним доказом справедливості корпускулярно-хвильового дуалізму мікрочастинок.

 

Закон Релея-Джинса - закон випромінювання Релея-Джинса для рівноважної щільності випромінювання абсолютно чорного тіла u (ω, T) і для іспускательной здатності абсолютно чорного тіла f (ω, T) який отримали Релей і Джинс, в рамках класичної статистики (теорема про равнораспределеніі енергії за ступенями свободи і подання про електромагнітне поле як про нескінченновимірної динамічній системі).

 

Правильно описував низькочастотну частину спектру, при середніх частотах приводив до різкого розбіжності з експериментом, а при високих - до абсурдного результату (див. нижче), що означає незадовільність класичної фізики.

 

Грунтуючись на законі про равнораспределеніі енергії за ступенями свободи: на кожне електромагнітне коливання припадає в середньому енергія, складається з двох частин kT. Одну половинку вносить електрична складова хвилі, а другу - магнітна. Саме по собі, рівноважний випромінювання в порожнині, можна представити як систему стоячих хвиль. Кількість стоячих хвиль у тривимірному просторі дається виразом:

У нашому випадку швидкість v слід покласти рівною c, більше того, в одному напрямку можуть рухатися дві електромагнітні хвилі з однією частотою, але з взаємно перпендикулярними поляризаціями, тоді (1) на додаток слід помножити на два:

Отже, Релей і Джинс, кожному коливання приписали енергію . Помножити (2) на , отримаємо щільність енергії, яка припадає на інтервал частот dω:

тоді:

Знаючи зв'язок іспускательной здатності абсолютно чорного тіла f (ω, T) з рівноважної щільністю енергією теплового випромінювання , для f (ω, T) знаходимо:

Вирази (3) і (4), називають формулою Релея-Джинса.

ü Задачі.

ü Самостійно розв’язати задачі:

ü Питання самоконтролю:

1. Відкриття рентгенівського випромінювання. κ- проміння.

2. Дослід В. Віна 1907 р.

3. Застосування фотонної теорії.

4. Дослідження рентгенівського випромінювання різними речовинами(ефект Комптона). Комптонівська довжина хвилі.

5. Теплове або температурне випромінювання.

6. Густина енергії випромінювання.

7. Випромінювальна здатність.

8. Спектральна випромінювальна здатність.

9. Поглинальна здатність.

10. Спектральна поглинальна здатність.

11. Спектральна відбивна здатність.

12. Закон Кірхгофа для теплового випромінювання.

13. Закон Стефана- Больцмана.

14. Заокн Віна.

15. Формула Релєя – Джинса.

16. Фрмула Планка.

Література:

Посібник №1. Кучерук І.М., Горбачук І.Т., Луцик П.П. Загальний курс фізики: У 3-х т. / За ред. І.М. Кучерука. - [2-е вид., випр.] - К.: Техніка, 2006. - 532 с. - Т.1: Механіка. Молекулярна фізика і термодинаміка

Посібник №2. Кучерук Ї.М., Горбачук І.Т., Луцик П.П. Загальний курс фізики: У 3-х т. / За пр. І.М. Кучерука. – [2-е вид., ипр..] — К.: Техніка, 2006. – 452 с. – Т.2: Електрика і магнетизм.

Посібник № 3. Кучерук І.М., Горбачук І.Т., Луцик П.П. Загальний курс фізики: У 3-х т. / За ред. І.М. Кучерука. - [2-е вид., зипр.] -К.: Техніка, 2006. - 518 с. - Т.З: Оптика. Квантова фізика.

Посібник №4. П. П. Чолпан Основи фізики: навч. Посібник: - К. Вища шк., 1995.- 488 с.: іл.

Посібник №5. І.П. Гаркуша, І.Т. Горбачук, В.П. Курінний та ін.; за заг. ред. І.П. Гаркуші./Загальний курс фізики: Зб. Задач./ К.Техніка,2003.-560с.

Л1. Том 3, розділ 11, § 11.1-11.4, с. 260-269

Л5. Розділ 6, §6.1,6.4, с. 280,283,300

Самостійна робота №33.

Тема: «Моделі атомного ядра. Радіоактивність. Закони радіоактивного розпаду. Правила зміщення та радіоактивні сім’ї. Ядерні реакції. Штучна радіоактивність. Трансуранові елементи. Реакції поділу важких ядер. Реакції термоядерного синтезу.»

Знати: уявлення про ядерну модель атома, атомне ядро, елементарні частинки, взаємоперетворюваність елементарних частинок, принцип дії квантових генераторів, знання понять: нуклон, ізотоп, період напіврозпаду, види радіоактивних випромінювань, критична маса

Уміти: знаходити за таблицею періодичних елементів склад ядра атома; записувати рівняння альфа- та бетта- розпаду; розраховувати дефект мас, пояснювати сутність дослідів Резерфорда

ü План теоретичного матеріалу.

1. Моделі атомного ядра.

2. Радіоактивність. Закони радіоактивного розпаду.

3. Правила зміщення та радіоактивної сім’ї.

4. Ядерні реакції. Штучна радіоактивність.

5. Трансуранові елементи.

6. Реакції поділу важких ядер.

7. Реакції термоядерного синтезу.

Теоеретичний матеріал

« Моделі атомного ядра. Радіоактивність. Закони радіоактивного розпаду. Правила зміщення та радіоактивні сім'ї. Ядерні реакції. Штучна радіоактивність Трансуранові елементи. Реакції поділу важких ядер. Реакції термоядерного синтезу. »

Ядерна реакція - явище перетворення ядер атомів хімічних елементів і елементарних частинок.

Ядерні реакції можуть відбуватися спонтанно або при бомбардуванні речовини швидкими частинками. Спонтанні ядерні перетворення є причиною природної радіоактивності.

Як і хімічні реакції, ядерні реакції можуть бути ендотермічними й екзотермічними.

Ядерні реакції поділяються на реакції розпаду та реакції синтезу.