Фізіка
Выдавец: Народная асвета
Памер: 286с.
Мінск 1991
Гэтыя дасягненні сталі магчымыя дзякуючы таму, што даўжыня рэнтгенаўскіх праменяў вельмі малая — іменна таму ўдалося «ўбачыць» малекулярныя структуры. Убачыць, вядома, не літаральна; гутарка ідзе аб атрыманні дыфракцыйнай карціны, з дапамогай якой пасля немалой затраты працы на яе расшыфроўку можна ўзнавіць характар прасторавага размяшчэння атамаў.
3 іншых прымяненняў рэнтгенаўскіх праменяў адзначым рэнтгенаўскую дэфектаскапію — метад выяўлення ракавін у адліўках, трэшчын у рэйках, праверкі якасці зварных швоў і г. д. Рэнтгенаўская дэфектаскапія заснавана на змяненні паглынання рэнтгенаўскіх праменяў у вырабе пры наяўнасці ў ім поласці або іншародных уключэнняў.
180
Будова рэнтгенаўскай трубкі. У наш час для атрымання рэнтгенаўскіх праменяў распрацаваны вельмі дасканалыя прыстасаванні, якія называюць рэнтгенаўскімі трубкамі.
На рысунку 155 паказана спрошчаная схема электроннай рэнтгенаўскай трубкі. Катод / з’яўляецца вальфрамавай спіраллю, якая выпраменьвае электроны за кошт тэрмаэлектроннай эмісіі. Цыліндр 3 факусіруе паток электронаў, якія затым саўдараюцца з металічным электродам (анодам) 2. Пры гэтым нараджаюцца рэнтгенаўскія прамені. Напружанне паміж анодам і катодам дасягае некалькіх дзесяткаў кілавольт. У трубцы ствараецца глыбокі вакуум; ціск газу ў ёй не перавышае 10—5 мм рт. сл.
У магутных рэнтгенаўскіх трубках анод ахалоджваецца праточнай вадой, паколькі пры тармажэнні электронаў вылучаецца вялікая колькасць цеплыні. У карыснае выпраменьванне ператвараецца толькі каля 3 % энергіі электронаў.
Рэнтгенаўскія прамені маюць даўжыні хваль у дыяпазоне ад 10“9 да 10“10 м. Яны валодаюць вялікай пранікальнай здольнасцю і ўжываюцца ў медыцыне, а таксама для даследавання структуры крышталёў і складаных арганічных малекул.
■ 1. Як зроблена рэнтгенаўская трубка? 2. Чаму не змайстраваны рэнтге
наўскія мікраскопы?
§ 65. ШКАЛА ЭЛЕКТРАМАГНІТНЫХ ВЫ ПРАМЕНЬВАННЯЎ
Мы ведаем, што даўжыня электрамагнітных хваль бывае самай разнастайнай: ад значэнняў парадку 103 м (радыёхвалі) да 10“10 м (рэнтгенаўскія прамені). Святло складае нязначную частку шырокага спектра электрамагнітных хваль. Тым не менш менавіта пры вывучэнні гэтай малой часткі спектра былі адкрыты іншыя выпраменьванні з незвычайнымі ўласцівасцямі.
На форзацы паказана поўная шкала электрамагнітных хваль
з указаннем даўжынь хваль і частот розных выпраменьванняў, а таксама прыстасаванні, з дапамогай якіх атрымліваюць электрамагнітныя хвалі розных дыяпазонаў частаты. Прынята вылучаць нізкачастотнае выпраменьванне, радыевыпраменьванне, інфрачырвоныя прамені, бачнае святло, ультрафіялетавыя прамені, рэнтгенаускія прамені і увыпраменьванне. 3 усімі гэтымі выпраменьваннямі, акрамя увыпраменьвання, вы ўжо знаёмы. Самае караткахвалевае увыпраменьванне выпраменьваюць атамныя ядры.
Прынцыповай розніцы паміж асобнымі выпраменьваннямі няма. Усе яны з’яўляюцца электрамагнітнымі хвалямі, пароджанымі зараджанымі часціцамі. Выяўляюцца электрамагнітныя хвалі ў канчатковым выніку па іх дзеянню на зараджаныя часціцы. У вакууме выпраменьванне любой даўжыні хвалі распаўсюджваецца са скорасцю 300 000 км/с. Межы паміж асобнымі абласцямі шкалы выпраменьванняў даволі ўмоўныя.
Выпраменьванні рознай даўжыні хвалі адрозніваюцца адно ад аднаго па спосабу іх атрымання (выпраменьванне антэны, цеплавое выпраменьванне, выпраменьванне пры тармажэнні хуткіх электронаў і інш.) і метадах рэгістрацыі.
Усе пералічаныя віды электрамагнітнага выпраменьвання параджаюцца таксама касмічнымі аб’ектамі і паспяхова даследуюцца з дапамогай ракет, штучных спадарожнікаў Зямлі і касмічных караблёў. У першую чаргу гэта адносіцца да рэнтгенаўскага і гамавыпраменьванняў, якія моцна паглынаюцца атмасферай.
Па меры памяншэння даўжыні хвалі колькасныя адрозненні ў даўжынях хваль прыводзяць да істотных якасных адрозненняў.
Выпраменьванні рознай даўжыні хвалі вельмі моцна адрозніваюцца адно ад аднаго па паглынанню іх рэчывам. Караткахвалевыя выпраменьванні (рэнтгенаўскае і асабліва упрамені) паглынаюцца слаба. Непразрыстыя для хваль аптычнага дыяпазону рэчывы празрыстыя для гэтых выпраменьванняў. Каэфіцыент адбіцця электрамагнітных хваль таксама залежыць ад даўжыні хвалі. Але галоўнае адрозненне паміж даўгахвалевым і караткахвалевым выпраменьваннямі ў тым, што караткахвалевае выпраменьванне выяўляе ўласцівасць часціц. Аб гэтым пойдзе гаворка ў наступным раздзеле «Светлавыя кванты».
■ 1. Якімі спосабамі рэгіструюцца радыёхвалі? выпраменьванні аптычнага дыяпазону? рэнтгенаўскія прамені? 2. Скарыстаўшы рысунак на форзацы, пакажыце дыяпазоны ўсіх відаў выпраменьванняў.
КАРОТКІЯ ВЫНІКІ РАЗДЗЕЛА 71
1. Святло выпраменьваецца зараджанымі часціцамі — элёктронамі, якія рухаюцца ў атамах. Для таго каб атам мог выпраменьваць, ён павінен атрымаць энергію звонку.
Найбольш распаўсюджаны цеплавыя крыніцы святла: Сонца, электрычныя лямпы напальвання, полымя і інш.
2. Найважнейшая характарыстыка выпраменьвання — размеркаванне яго энергіі па частотах або даўжынях хваль. Гэта размеркаванне характарызуецца спектральнай шчыльнасцю інтэнсіўнасці выпраменьвання.
3. Спектры выпраменьвання даследуюцца з дапамогай спект
1 У кароткіх выніках гэтага раздзела 7—10 істотных пунктаў.
182
ральных апаратаў. Асноўным элементам спектральнага апарата з’яўляецца прызма або дыфракцыйная рашотка.
4. Выпраменьванне, выпраменьваемае цвёрдымі і вадкімі целамі, а таксама' высокатэмпературнай плазмай, мае неперарыўны спектр. У неперарыўным спектры паказаны з рознай інтэнсіўнасцю ўсе даўжыні хваль.
Выпраменьванне ж, выпраменьваемае рэчывам у газападобным атамарным стане, мае лінейчасты спектр. Даўжыні хваль лінейчастага спектра залежаць толькі ад уласнівасцей атамаў рэчыва і не залежаць ад спосабаў узбуджэння атамаў. На гэтым факце заснаваны спектральны аналіз.
Спектр выпраменьвання, які выпраменьваюць малекулы, складаецца з асобных палос, падзеленых цёмнымі прамежкамі. Такі спектр называецца паласатым.
5. Паглынанне святла рэчывам залежыць ад даўжыні хвалі. Рэчыва найбольш інтэнсіўна паглынае святло якраз тых даўжынь хваль, на якіх яно інтэнсіўна выпраменьвае энергію ў моцна нагрэтым стане. Па лініях паглынання вызначаюць хімічны састаў Сонца і зорак.
6. Святло — гэта электрамагнітныя хвалі з даўжынямі хваль ад 4 10—7 да 810”7 м. Выпраменьванне з даўжынямі хваль, якія перавышаюць даўжыню хвалі чырвонага колеру (8’ 107 м), называюць інфрачырвоным. Інфрачырвоныя прамені выпраменьвае любое нагрэтае цела.
Электрамагнітныя хвалі з даўжынямі хваль, меншымі за 4 . Ю7 м, называюць ультрафіялетавымі. Ультрафіялетавыя прамені адрозніваюцца вялікай хімічнай актыўнасцю.
7. Яшчэ меншую даўжыню хвалі маюць рэнтгенаўскія прамені. Рэнтгенаўскія прамені ўзнікаюць пры рэзкім тармажэнні электронаў, якія прайшлі паскараючае напружанне ў некалькі кілавольт. Гэтыя прамені слаба паглынаюцца рэчывам. Іх выкарыстоўваюць у медыцыне (рэнтгенадыягностыка і рэнтгенатэрапія), у тэхніцы (рэнтгенадэфектаскапія) і ў навуковых даследаваннях.
8. Шкала электрамагнітных хваль працягваецца ад доўгіх радыёхваль (X > 1 км) да гамапраменяў (X < 10 111 м). Электрамагнітныя хвалі рознай даўжыні ўмоўна дзеляць на дыяпазоны па розных прызнаках (спосабу атрымання, спосабу рэгістрацыі, характару ўзаемадзеяння з рэчывам). Колькасныя адрозненні ў даўжынях хваль прыводзяць да істотных якасных адрозненняў. Караткахвалевае выпраменьванне выяўляе ўласцівасці часціц.
КВАНТАВАЯ ФІЗІКА
Раздзел 8. Светлавыя кванты
Раздзел 9. Атамная фізіка
Раздзел 10. Фізіка атамнага ядра
Раздзел 11. Элементарныя часціцы
ЗАРАДЖЭННЕ КВАНТАВАЙ ТЭОРЫІ
Найвялікшая рэвалюцыя ў фізіцы супала з пачаткам XX ст. Спробы растлумачыць назіраемыя на доследах (гл. рыс. 151) заканамернасці размеркавання энергіі ў спектрах цеплавога выпраменьвання (электрамагнітнага выпраменьвання нагрэтага цела) аказаліся беспаспяховымі. Шматразова правераныя законы электрамагнетызму Максвела нечакана «забаставалі», калі іх спрабавалі прымяніць да праблемы выпраменьвання рэчывам кароткіх электрамагнітных хваль. I гэта тым больш дзіўна, што гэтыя законы вельмі добра апісваюць выпраменьванне радыёхваль антэнай і што ў свой час само існаванне электрамагнітных хваль было прадказана на аснове гэтых законаў.
Электрадынаміка Максвела прыводзіла да бяссэнсавага вываду, згодна з якім нагрэтае цела, бесперапынна страчваючы энергію ў выніку выпраменьвання электрамагнітных хваль, павінна астыць да абсалютнага нуля. Згодна з класічнай тэорыяй цеплавая раўнавага паміж рэчывам і выпраменьваннем немагчыма. Аднак штодзённы вопыт паказвае, што нічога падобнага ў сапраўднасці няма. Нагрэтае цела не расходуе ўсю сваю энергію на выпраменьванне электрамагнітных хваль.
У пошуках выхаду з гэтай супярэчнасці паміж тэорыяй і практыкай нямецкі фізік Макс Планк дапусціў, што атамы выпраменьваюць электрамагнітную энергію асобнымі порцыямі — квантамі. Энергія Е кожнай порцыі прама прапарцыянальная частаце v выпраменьвання1:
Е = hv.
Каэфіцыент прапарцыянальнасці h атрымаў назву пастаяннай Планка.
Дапушчэнне Планка фактычна азначала, што законы класічнай фізікі непрымянімыя да з’яў мікрасвету.
Пабудаваная Планкам тэорыя цеплавога выпраменьвання вельмі добра ўзгаднялася з эксперыментам. Па вядомаму з досле
1 Гэта другая з простых «вялікіх» формул (першая — Е = me'2).
184
Планк Макс (1858—1947) — вялікі нямецкі фізіктэарэтык, заснавальнік квантавай тэорыі — сучаснай тэорыі руху, узаемадзеяння і ўзаемных ператварэнняў мікраскапічных часціц. У 1900 г. у працы, прысвечанай раўнаважнаму цеплавому выпраменьванню, Планк упершыню ўвёў дапушчэнне аб тым, што энергія асцылятара (сістэмы, якая выконвае гарманічныя ваганні) прымае дыскрэтныя значэнні, прапарцыянальныя частаце ваганняў. Выпраменьваецца электрамагнітная энергія асцылятарам асобнымі порцыямі. Вялікі ўклад унёс Планк у развіццё тэрмадынамікі.
ду размеркаванню энергіі па частотах было вылічана значэнне пастаяннай Планка. Яно аказалася вельмі малым:
/і = 6,63 IO"34 Дж • с.
У наступным параграфе мы разгледзім другую фізічную з’яву, з дапамогай якой таксама можна вызначыць пастаянную Планка, але больш простым спосабам.
КНІГІ ОНЛАЙН
