Discuție

introducere

Unde electromagnetice

Efectul fotoelectric invers

istorie

Razele X au fost descoperite în 1895 de către fizicianul german Wilhelm Röntgen (ortografiat și Roentgen). El a primit primul Premiul Nobel pentru fizică în 1901 „ca recunoaștere a serviciilor extraordinare pe care le-a adus prin descoperirea remarcabilelor raze care au primit ulterior numele său”. Președintele Societății Fizico-Medicale Wurzberg, Albert von Kolliker, a cărui mână a fost folosită pentru a produce această imagine, a propus ca această nouă formă de radiație să fie numită „razele lui Röntgen”. Röntgen a avut o idee diferită.

Se vede, așadar, că un agent oarecare este capabil să străpungă cartonul negru, care este destul de opac la lumina ultravioletă, la lumina soarelui sau la lumina arcului. Prin urmare, este interesant de cercetat în ce măsură alte corpuri pot fi penetrate de același agent. Este ușor de demonstrat că toate corpurile posedă aceeași transparență, dar în grade foarte diferite. De exemplu, hârtia este foarte transparentă; ecranul fluorescent se aprinde atunci când este plasat în spatele unei cărți de o mie de pagini; cerneala de imprimantă nu oferă o rezistență marcantă…. O bucată de tablă de aluminiu, de 15 mm. grosime, permitea totuși trecerea razelor X (așa cum voi numi razele, de dragul conciziei), dar reducea foarte mult fluorescența. Plăcile de sticlă de grosime asemănătoare se comportă în mod similar; sticla cu plumb este însă mult mai opacă decât sticla fără plumb…. Dacă mâna este ținută în fața ecranului fluorescent, umbra arată oasele în mod întunecat, cu doar contururi slabe ale țesuturilor înconjurătoare.

Wilhelm Röntgen, 1895

Röntgen pare să fi scris întotdeauna x cu majusculă. Eu prefer să folosesc minusculă, deoarece razele nu poartă în mod intenționat numele cuiva sau a ceva.

Atenție: nu încercați acest lucru acasă. Nu încercați asta nicăieri!”

Retina ochiului este destul de insensibilă la aceste raze: ochiul plasat aproape de aparat nu vede nimic. Este clar din experimente că acest lucru nu se datorează lipsei de permeabilitate din partea structurilor ochiului.

Wilhelm Röntgen, 1895

1912: Walter Friedrich și Paul Knipping difractă razele X în blenda de zinc

1912: Max von Laue sugerează utilizarea solidelor reticulare pentru difracția razelor X

1913: William Bragg și Lawrence Bragg elaborează condiția lui Bragg pentru o reflexie puternică a razelor X

1922: Arthur Compton studiază împrăștierea fotonilor de raze X de către electroni

Roentgen/Tuburi umplute cu gaz

Primele tuburi cu raze X erau umplute cu aer la presiune scăzută (sau un vid parțial, dacă preferați)… catod, anod și anticatod.

Primele tuburi cu raze X cu gaz

Sursa: bulbcollector.com a.k.a. kilocat

Sursa: fotografie realizată de autor a.k.a. the author

Tuburi cu vid

Majoritatea tuburilor cu raze X utilizate în prezent sunt „umplute” cu vid. Această „varietate complet nouă” de tub cu raze X a fost inventată în 1913 de inginerul electric american William Coolidge (1873-1975). În același an, Coolidge a dezvoltat tehnica de fabricare a sârmei fine din tungsten (un metal notoriu de neductibil). Aproape toate becurile cu incandescență fabricate după 1913 conțin un filament de tungsten realizat prin procedeul lui Coolidge. După ce a terminat de lucrat la becuri, și-a îndreptat atenția către tuburile cu raze X. Ghiciți ce? Aproape fiecare tub cu raze X fabricat după 1913 conține un filament de tungsten realizat prin procedeul folosit la becurile luminoase.

Într-un tub cu raze X tipic cu vid, electronii sunt accelerați de la un catod încălzit spre un anod metalic printr-o diferență mare de potențial. Schimbarea temperaturii filamentului modifică curentul electronic – un catod mai cald eliberează mai mulți electroni decât unul rece. Acest lucru determină intensitatea sau „luminozitatea” fasciculului de raze X. Deoarece un electron va produce un foton de raze X atunci când lovește anodul, mai mulți electroni care zboară prin tub înseamnă mai mulți fotoni de raze X emiși de tub. Tensiunea din tub determină energia cinetică a electronilor atunci când aceștia lovesc anodul, care, la rândul său, determină puterea de penetrare a fotonilor de raze X – mai multă energie per electron înseamnă mai multă energie per foton de raze X și, prin urmare, o capacitate mai mare de a străpunge materia.

Catodul este un filament spiralat de sârmă (de obicei tungsten) încălzit la aproximativ 2000 °C (la foc alb). Acesta emite electroni prin emisie termoionică. Într-un anumit sens, electronii „fierb” de pe suprafața metalului, dar este un fel ciudat de fierbere, deoarece electronii care pleacă sunt întotdeauna înlocuiți cu alții noi. Dacă pun o oală cu apă pe aragaz acasă, o pun la fiert și apoi plec din bucătărie pentru o oră sau două, când mă întorc sunt șanse mari ca oala să fie goală (și poate chiar să sfârâie la roșu). Acest lucru nu se întâmplă în cazul electronilor dintr-un catod. Cei care pleacă sunt întotdeauna înlocuiți cu alții noi. Dacă nu ar face acest lucru, ne-am trezi cu o colecție de ioni încărcați pozitiv (și, în cele din urmă, nuclee goale) care ar zbura cu siguranță în afară din cauza repulsiei lor reciproce. Un tub cu raze X este un element de circuit. Curentul intră pe la un capăt și iese pe la celălalt și se învârte în jurul circuitului.

Anodul este un radiator de cupru relativ masiv a cărui față țintă este tăiată în diagonală și acoperită cu un alt metal (de obicei platină). Mai mult de 99% din energia cinetică transmisă electronilor este transformată în căldură pe anod. Restul de 1% este emis ca radiație de frânare (adică raze X utile). Această căldură trebuie să fie transferată, altfel ținta s-ar topi. Soluția lui Coolidge a fost de a roti ținta cu ajutorul unui mic motor. Acest lucru a asigurat faptul că punctul fierbinte nu a rămas niciodată într-un singur loc suficient de mult timp pentru a provoca daune de durată anodului. (Unele tuburi cu raze X sunt răcite cu apă.) Ținta este tăiată pe o diagonală, astfel încât razele X emise să zboare de pe suprafață sub un unghi diferit de cel al electronilor incidenți. O tăiere la 45° face ca razele X să iasă perpendicular pe axa tubului. Toate fotografiile de tuburi cu raze X de pe această pagină au țintele aliniate la acest unghi. (Fotografia unui tub cu raze X dentară prezentată mai jos în stânga este puțin distorsionată, astfel încât geometria nu este evidentă.)

Tuburi cu raze X cu vid (tuburi Coolidge)

Schema unui „soi complet nou” de tub cu raze X din cererea de brevet din 1913 a lui William Coolidge. Aproape toate tuburile cu raze X contemporane sunt variante ale tubului Coolidge. Sursa: US Patent & Trademark Office

Un tub cu raze X în vid de tipul celor utilizate în stomatologie. Sursa: bulbcollector.com

Spectrele caracteristice vs. spectrele bremsstrahlung (de frânare).

Spectre ipotetice de raze X produse de electroni cu energie mică (roșu), medie (verde) și mare (albastru). Pe măsură ce energia fasciculului de electroni crește, lungimea de undă maximă a razelor X scade, dar nu și localizarea vârfurilor caracteristice.

frânare (frânare/decelerare) + strahlung (radiație)

• Într-un metal pur rece (a), toți electronii se află sub nivelul energetic Fermi. Energia termică permite electronilor să formeze un nor spațial în vid (b), iar aplicarea unui câmp electric permite ca electronii să fie colectați pe un anod; în caz contrar, se stabilește un echilibru între electronii din interiorul și din exteriorul metalului. La majoritatea tuburilor cu raze X, la microscoapele electronice și la microsondele electronice se utilizează un fir de tungsten pentru a profita de temperatura ridicată pentru topire (3680 K) și evaporare. Într-un tub cu raze X convențional, firul este o bobină de aproximativ 1 cm pe 1 mm, iar temperatura este reglată pentru a minimiza evaporarea atomilor de W care contaminează lent ținta. Cu excepția cazului în care se aplică o tensiune de accelerare, nu există curent emis de un filament fierbinte din cauza formării unei sarcini spațiale de electroni în apropierea suprafeței metalice. Curentul de saturație se măsoară utilizând metalul ca catod al unui tub cu vid și colectând electronii pe un anod care este suficient de pozitiv pentru a disipa sarcina spațială. Într-un tub cu raze X convențional, se obține o stabilitate suficientă prin reglarea tensiunii filamentului (pentru încălzire) și a tensiunii de accelerare între catod și anod.
• Există două (TREI?) mecanisme principale prin care se produc razele X. Primul mecanism implică decelerația rapidă a unui electron de mare viteză atunci când acesta intră în câmpul electric al unui nucleu. În timpul acestui proces, electronul este deviat și emite un foton de radiație X. Acest tip de raze X este adesea denumit bremsstrahlung sau „radiație de frânare”. Pentru o sursă dată de electroni, se va produce un spectru continuu de bremsstrahlung până la energia maximă a electronilor.

Razele X sunt produse ori de câte ori electronii în mișcare rapidă sunt decelerați, nu doar în tuburile cu raze X. Aproape toate sursele de raze X care apar în mod natural sunt extraterestre. (Nu, asta nu înseamnă că sunt produse de creaturi extraterestre din spațiul cosmic. Înseamnă doar „dincolo de Pământ”). Razele X sunt produse atunci când vântul solar este prins de câmpul magnetic al Pământului în centurile de radiații Van Allen. Găurile negre sunt surse semnificative de raze X în univers. Materia care cade într-o gaură neagră suferă o accelerație extremă cauzată de câmpul intens al găurii negre. O singură particulă izolată ar cădea fără să emită radiații, dar un flux de particule ar face acest lucru, deoarece particulele ar sfârși prin a se ciocni unele de altele în drumul lor spre gaura neagră. Fiecare coliziune inelastică experimentată de o particulă încărcată ar duce la emiterea unui foton. Deoarece aceste coliziuni au loc la viteze mari, energia fotonilor emiși este de ordinul celor care se găsesc în regiunea razelor X din spectrul electromagnetic. Coliziunile inelastice la energii chiar mai mari (mai mari de un milion de electronvolți) ar genera raze gamma.

• Cel de-al doilea mecanism prin care se produc raze X este prin tranzițiile electronilor între orbitele atomice. Astfel de tranziții implică deplasarea electronilor de pe orbitele exterioare către locurile libere din orbitele interioare. La efectuarea unor astfel de tranziții, electronii emit fotoni de radiații X cu energii discrete date de diferențele dintre stările energetice de la începutul și sfârșitul tranziției. Deoarece astfel de raze X sunt distincte pentru elementul și tranziția respectivă, ele se numesc raze X caracteristice.

Cel de-al treilea mecanism este prin emisie de sincrotron.

• Prevăzută inițial în 1944 de Ivanenko și Pomeranschuk în Rusia, a fost, trei ani mai târziu, observată accidental într-un accelerator cu inel închis de tipul unui sincrotron. A fost mult timp privit ca un „produs rezidual”, deoarece radiația sincrotronică este produsă în acceleratoare sub formă de bremsstrahlung magnetic și limitează în mod nedorit energia finală necesară a acceleratoarelor. Abia câțiva ani mai târziu, în 1956, radiația sincrotronică a fost utilizată în mod specific în investigații științifice de către Tomboulian și Hartmann.

Radiația sincrotronică este emisă de particule încărcate care se deplasează pe o traiectorie curbă (așa cum s-ar întâmpla în timp ce se deplasează printr-un câmp magnetic). Deoarece sursa tuturor radiațiilor electromagnetice este accelerarea sarcinii, radiația sincrotronică este un exemplu de radiație electromagnetică produsă de accelerația centripetă (spre deosebire de bremsstrahlung, care este produsă de accelerația tangențială). Lungimea de undă a acestei radiații este în funcție de energia particulelor încărcate și de intensitatea câmpului magnetic care le îndoaie. Spectrul radiației este continuu și este caracterizat de lungimea sa de undă critică, care împarte spectrul în două părți cu putere egală (jumătate din puterea radiată deasupra lungimii de undă critice și jumătate sub aceasta).

Lungimea de undă critică poate fi găsită cu ajutorul ecuației de mai jos

. 3

λc =	4π		E03
	cBE2

care se reduce la următoarea ecuație atunci când particulele încărcate sunt electroni

λc =	1.86453
	BE2

Surse de radiație sincrotronică: inele, ondulatoare, ondulatoare, National Synchrotron Light Source nu produce lumină ca formă primară de radiație electromagnetică. Cea mai mare parte a cercetărilor efectuate la această instalație utilizează razele X și ultravioletele de vid produse de fasciculul de electroni.

• În 1945, sincrotronul a fost propus ca fiind cel mai nou accelerator pentru fizica energiilor înalte, conceput pentru a împinge particulele, în acest caz electronii, la energii mai mari decât ar fi putut-o face un ciclotron, acceleratorul de particule din acea vreme. Un accelerator ia particule încărcate staționare, cum ar fi electronii, și le duce la viteze apropiate de viteza luminii. Fiind forțate de magneți să se deplaseze în jurul unui inel circular de stocare, particulele încărcate emit tangențial radiații electromagnetice și, în consecință, pierd energie. Această energie este emisă sub formă de lumină și este cunoscută sub numele de radiație de sincrotron.

Radiația de sincrotron este o pacoste într-un accelerator de particule, deoarece absoarbe energia din particulele accelerate, dar constituie o sursă ideală de radiație electromagnetică de înaltă energie. Fasciculul produs este compus din raze aproape paralele (colimate) și este destul de intens.

• Radiația de sincrotron poate fi produsă ore întregi, poate chiar zile întregi, dacă ai fi dispus să plătești facturile de electricitate și ai avea un motiv să lucrezi non-stop. tuburile cu raze X pot funcționa doar câteva secunde sau poate minute. Fă-le să funcționeze prea mult timp și se vor arde la fel ca un bec.
• Radiația de sincrotron este „organizată”: fasciculul este puternic polarizat (majoritatea undelor oscilează în același plan) și colimat (majoritatea undelor sunt în aceeași direcție). tuburile cu raze X produc radiații „dezordonate” care sunt complet nepolarizate și pot fi focalizate doar cu mare dificultate. O sursă de sincrotron este ca un „laser cu raze X”, în timp ce un tub cu raze X este ca un „proiector de raze X”.
• Radiația de sincrotron poate fi „partajată”. Un sincrotron mare poate avea peste 50 de linii de fascicule și poate efectua sute, dacă nu chiar mii de experimente într-un an. Instalațiile de sincrotron sunt costisitoare pentru a fi construite, dar se amortizează prin volumul pur și simplu de cercetare.
• Bucăturile sau ondulatoarele (cunoscute și sub numele de dispozitive de inserție) produc radiație de sincrotron care este considerabil mai strălucitoare decât radiația provenită de la un magnet de îndoire. Dispozitivul face ca electronii să urmeze o traiectorie sinusoidală în loc de o traiectorie curbă prin stabilirea unei serii de câmpuri magnetice care alternează în polaritate și sunt perpendiculare pe direcția de deplasare a electronilor. Un wiggler sporește luminozitatea radiației produse de un anumit fascicul de electroni cu un factor aproximativ egal cu de două ori mai mare decât numărul de oscilații complete la care este supus fasciculul. Deviațiile fasciculului sunt mai mici într-un ondulator decât într-un wiggler, iar luminozitatea radiației poate fi, în teorie, mărită cu un factor aproximativ egal cu pătratul numărului de oscilații, dar numai la energii discrete ale fotonilor.

impulsul fotonic

Max Planck a descoperit că fotonii au energie.

E = hf

Albert Einstein a descoperit că energia și impulsul sunt legate.

E2 = p2c2 + m2c4

Fotonii nu au masă, deci această ecuație se reduce la…

E = pc

Combinați Planck și Einstein (ecuațiile lor, nu oamenii înșiși)…

E = pc

Combinați Planck și Einstein (ecuațiile lor, nu oamenii înșiși)…

hf = pc

Solvați pentru momentul…

p =	hf
	c

Reamintim că…

λ =	c
	f

Deci…

p =	h
	λ

Dacă Planck și Einstein au dreptate, atunci și fotonii au impuls. Ceea ce ne trebuie acum sunt dovezi experimentale care să susțină sau să infirme acest lucru. (Nu vă faceți griji, nimeni nu va refuza acest lucru.)

efectul Compton

Arthur Compton (1892-1962) Statele Unite ale Americii

.

∆λ =	2h	sin2	θ
	mec		2

tehnologie

shadowgraphs

tomografie axială computerizată (CAT)

x-.ray scattering

difracție de raze X

fluorescență de raze X

.