Тормозное рентгеновское излучение.
В 1895 г. В.Рентген
(Вильгельм Конрад Рентген 1845-1923 гг.,
немецкий физик, первая Нобелевская
премия по физике – 1901 г.) обнаружил
электромагнитное излучение, возникающее
при бомбардировке стекла и металлов
быстрыми электронами в результате их
торможения в веществе, позднее получившее
название рентгеновских
лучей (
.
В устройстве для получения тормозного
рентгеновского излучения (рентгеновской
трубке) электроны, испускаемые катодом
в результате термоэлектронной эмиссии,
фокусируются цилиндрическим электродом
и ускоряются высоким напряжением,
создаваемым между катодом
и
электродом, называемым антикатодом.
Мишенью для электронного пучка служит антикатод.
Почти вся энергия электронов пучка выделяется в
антикатоде в виде тепла. На долю рентгеновского
излучения
приходится всего
энергии,
запасенной в пучке.
При достаточно высокой скорости электронов
помимо тормозного рентгеновского излучения наблюдается также характеристическое излучение, вызванное возбуждением внутренних электронных оболочек атомов антикатода.
Согласно
классической электродинамике при
торможении электрона должно возникать
излучение с длинами волн от нуля до
бесконечности. При этом
длина волны, на которую максимум интенсивности
излучения, должна уменьшаться по мере увеличения
скорости электронов, т.е. повышения ускоряющего
напряжения. Выводы классической теории в основном
подтверждаются на опыте.
Однако опыт показывает, что при фиксированном
ускоряющем
напряжении
в рентгеновском спектре
отсутствует излучение с длинами волн, меньшими
некоторого
значения
.
При этом коротковолновая
граница тормозного излучения определяется только ускоряющим напряжением и не зависит от
материала мишени.
В целом процесс излучения при торможении электрона в электрических полях, создаваемых атомами мишени, весьма сложен, но наличие коротковолновой границы в корпускулярной картине получает очень простое объяснение.
Как и в уравнении
Эйнштейна для фотоэффекта, можно записать
закон сохранения энергии в элементарном
акте испускания кванта излучения. Фотон
получает наибольшую энергию в том
случае, когда электрон полностью
останавливается при столкновении с
ядром атома мишени. Из-за большой массы
ядра такой процесс не противоречит
закону сохранения импульса. Тогда
максимальная энергия испускаемых
фотонов
равна кинетической энергии электронов
;
;
.
Существование
граничной длины волны
(частоты
)
демонстрирует квантовый характер
испускания рентгеновского излучения.
По измерению её зависимости от ускоряющего напряжения можно с высокой точностью определить значение постоянной Планка.
В рассмотренных явлениях фотоэффекта и тормозного излучения мы учитывали только закон сохранения энергии при испускании или поглощении фотона, так как массивный катод мог, не участвуя в энергетическом балансе, «принять на себя» любой импульс и этим обеспечить выполнение закона его сохранения. Но существуют явления, в которых импульс фотона обнаруживает себя явно и соотношение допускает экспериментальную проверку. В качестве примера рассмотрим рассеяние рентгеновского излучения в парафине, впервые количественно исследованное в 1923 г.А.Комптоном.