XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Исследование возможности получения видеоизображений объектов при их облучении рентгеновскими лучами
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В конце XIX – начале XX века были открыты и изучены такие явления, как фотоэффект, рентгеновское излучение, эффект Комптона, излучение атомов и молекул, тепловое излучение и другие, объяснение которых с волновой точки зрения оказалось невозможным. Объяснение новых экспериментальных фактов было получено на основе корпускулярных представлений о природе света. Возникла парадоксальная ситуация, связанная с применением совершенно противоположных физических моделей волны и частицы для объяснения оптических явлений. В одних явлениях свет проявлял волновые свойства, в других – корпускулярные.
Фотоэффект – это явление, при котором фотоны (частицы света) взаимодействуют с веществом, передавая энергию электронам, находящимся внутри атомов. Если энергия фотона достаточна высока, то электрон может выйти из атома и образовать поток электронов, который можно зарегистрировать. Анализ этого явления привел к представлению о световых квантах [1].
Рентгеновские лучи представляют собой вид электромагнитного излучения, который был открыт немецким физиком Вильгельмом Конрадом Рентгеном в 1895 году. За свое выдающееся открытие Рентген стал лауреатом первой Нобелевской премии по физике в 1901 году. [6]
Одним из основных достоинств рентгеновских лучей является их способность проникать сквозь различные вещества, что позволяет исследовать внутренние структуры объектов без разрушения или повреждения их [2].
Цель работы: исследовать возможность использования фотоэффекта для преобразования рентгеновских лучей, прошедших через предмет в видимую часть спектра света.
Основная часть
Во второй половине XIX века немецкий физик Г. Герц исследовал условия возникновения электрического пробоя промежутка между электродами. Было обнаружено, что пробой (возникновение искры) сильно облегчается, если освещать электроды ультрафиолетовым излучением. Г. Герц опубликовал результаты своих наблюдений, однако никакого объяснения им он не дал.
Первым исследователем, тщательно изучившим фотоэффект, был российский физик А. Столетов. Он же разработал первую теоретическую модель фотоэффекта.
Схема опыта А. Столетова следующая.
Используется запаянная колба с вакуумом, в которую введены два электрода. К электродам подключено внешнее напряжение, катод может освещаться через специальное кварцевое окно (обычное стекло задерживает ультрафиолетовые лучи). Для определения тока в цепи используется амперметр[3].
Рисунок 1 - Опыт Столетова.
Если катод затемнен, ток в цепи не протекает. Освещение катода приводит к появлению тока, даже если напряжение между электродами равно нулю. При увеличении этого напряжения ток растет, а потом достигает насыщения и далее остается постоянным. При подаче обратного напряжения ток начинает уменьшаться, пока не уменьшится до нуля. На основе наблюдений А. Столетов вывел закон фотоэффекта: сила фототока насыщения прямо пропорциональна интенсивности светового излучения. [3]
Рисунок 2 - График фототока от напряжения
где U – электрическое напряжение; I – сила тока.
На рисунке 2 представлен график зависимости фототока от напряжения, с открытием электрона стало ясно, что фотоэффект — это выбивание электронов из вещества. Причем фотоэффект может быть внешним — когда электроны покидают вещество, — а может быть внутренним — когда электроны остаются внутри вещества, лишь меняют свое энергетическое состояние.
Кроме того, было открыто важное свойство фотоэффекта: кинетическая энергия выбитых электронов не зависела от интенсивности облучения. Но она зависела от его частоты. И при некоторой частоте фотоэффект вообще исчезал. Эта минимальная частота была названа «красной границей фотоэффекта».
Объяснить фотоэффект удалось А. Эйнштейну в 1905 году. Для этого он использовал идею М. Планка о том, что, несмотря на волновую природу света, он испускается и поглощается только порциями — квантами. И энергия кванта пропорциональна частоте (коэффициент пропорциональности h был назван «постоянной Планка»):[7]
1)
При выбивании электрона из вещества эта энергия будет затрачена на разрыв связей электрона с веществом (совершается работа выхода A, своя для каждого вещества), а оставшаяся энергия будет кинетической энергией электрона:
(2)
Эта формула фотоэффекта объясняет все особенности этого явления [4].
Рентгеновские лучи могут быть получены различными методами, включая тормозное излучение, дифракцию и рассеяние. В основе тормозного излучения лежит процесс, при котором быстро движущийся электрон теряет энергию из-за взаимодействия с ядрами атомов. В результате электрон замедляется, а потерянная энергия превращается в излучение [5].
В области фундаментальной науки применение рентгеновских лучей также открывает новые возможности для изучения явлений и объектов на космическом масштабе [8].
Основные свойства рентгеновского излучения:
1. Высокая энергия: рентгеновские лучи являются частью электромагнитного спектра и имеют более высокую энергию по сравнению с ультрафиолетовым и видимым излучением.
2. Проникающая способность: рентгеновские лучи способны проникать через большинство материалов, включая телесные ткани, но они ослабевают при прохождении через более плотные материалы, такие как кости.
3. Ионизация: рентгеновские лучи являются ионизирующим излучением, что означает, что они могут удалять электроны из атомов и превращать их в ионы. Это может привести к повреждению клеток, что является основой для риска радиационного воздействия при неправильном использовании.
Устройство для создания видеоизображений рентгеновских лучей с помощью фотоэффекта состоит из источника рентгеновского излучения, детектора и системы обработки данных. Источник излучения генерирует рентгеновские лучи, которые проходят через исследуемый объект и попадают на детектор. Детектор состоит из материала, способного регистрировать электроны, вылетающие из атомов при взаимодействии с рентгеновскими лучами. Эти электроны образуют ток, который зарегистрируется детектором и преобразуется в цифровой сигнал. Система обработки данных преобразует цифровой сигнал в видеоизображение, которое можно просмотреть на экране.
Задача технической реализации просмотра видеоизображений объектов после просвечивания их рентгеновскими лучами является преобразование частоты рентгеновских лучей в частоту в видимого света. Одним из вариантов реализации предлагается использовать фотоэффект. Для снижения частоты рентгеновских лучей можно использовать эффект запирающего напряжения. В этом случае кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшается, и как следствие, уменьшается их скорость. При столкновении с люминофором энергия электронов преобразуется в энергию фотонов видимого спектра
Описание работы устройства
Источник рентгеновского излучения: это устройство, которое генерирует рентгеновские лучи. Оно направлено на объект, который требуется исследовать.
Объект исследования: это может быть любой объект, который вы хотите сканировать. Он расположен между источником рентгеновских лучей и детектором.
Таким образом, можно представить это как линейный процесс, где рентгеновские лучи генерируются источником, проходят через объект, детектируются детектором, преобразуются в цифровой сигнал, который затем обрабатывается системой обработки данных и отображается на экране в виде видеоизображения.
(3)
(4)
(5)
(6)
При попадании электронов на люминофор почти вся энергия электронов будет переходить в энергия света. Необходимо установить функциональную скорости электронов при которой получится видимый свет, от величины запирающего напряжения
(7)
(8)
(9)
Заключение
На сегодняшний день, рентгеновские лучи остаются одним из наиболее важных и полезных инструментов для изучения внутренней структуры материалов и организмов. С развитием технологий и открытием новых методов их применения, потенциал рентгеновских лучей продолжает расти, обеспечивая прогресс в различных областях науки и техники, а современные разработки и новации продолжают расширять возможности их применения.
Однако, стоит учитывать, что рентгеновское излучение является ионизирующим, и его применение может иметь негативные последствия для здоровья человека и окружающей среды. В связи с этим разработанное предложение в рамках данного научного исследования позволяет получить изображение на экране в видимом спектре в режиме реального времени [9].
Список использованных источников и литературы
-
Алферов, В. Н., Черкасов, М. И. Синхротронное излучение: Теория и практика. Санкт-Петербург: Издательство Санкт-Петербургского.
-
Бушуев, В. Н., Бушуева, Т. В., Иванов, А. В. Рентгеновская
-
Киселев, Г. В. Рентгеновская дифракция и структурный анализ: Учебное пособие. Москва: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015.
-
Ландсберг Г.С. Оптика. Учеб. пособие. – 5-е изд. испр. – М.: Наука. Главная редакция физико – математической литературы, 1976. – 928
-
Забытненко, В. М., Соколов, А. А. Рентгеновская компьютерная томография: теория и практика. Москва: ФИЗМАТЛИТ, 2008. 2012.Успехи Физических Наук, 189(11), с.1210-1222, 2019.
-
Смирнов, В. В., Лукьянчиков, Л. А. Рентгеновские лучи: история открытия, физические свойства и современные методы исследований
-
Источник: https://obrazovaka.ru/fizika/fotoeffekty-formula.html.
-
Источник: https://obrazovaka.ru/fizika/fotoeffekty-formula.html