Приложение 4. Ответы к игре «Рентгеновские лучи»
Часть I

1. 
   Рентген – немецкий физик.
   
2. 
   Вильгельм Конрад, 1845 -1923 год.
   
3. 
   Открыл коротковолновое электромагнитное излучение – рентгеновские лучи. Награжден Нобелевской премией №1 в области физики. Всегда отказывался называть открытые им лучи – X-ray- рентгеновскими лучами (Х- лучами).
   
4. 
   Рентгеновские лучи открыты 8 ноября 1895 г. в Вюрцбургском университете, ректором которого был Рентген.
   

Часть II

1. 
   Что такое рентгеновские лучи?
   

Электромагнитное коротковолновое ионизирующее излучение, занимающее спектральную область между ультрафиолетовым и гамма-излучением, в пределах длин волн от 10^-14 м до 10^-7 м.

Рентгеновские лучи условно делятся на мягкие и жесткие:

жесткие λ=0,01 нм – 1 нм;

мягкие λ= 1 нм – 30 нм;

ультрамягкие λ= 30 нм – 100 нм.

2. 
   Как В.К. Рентген открыл Х-лучи?
   

(история открытия, сообщения учащихся)

Использовал фотопластинку с платино-синеродистым барием.

Награда – Нобелевская премия №1 – 10 декабря 1901 г.

Быстрое внедрение открытия – 1897 г.- г. Кронштадт – А.С.Попов создал первый рентген-кабинет в военно-морском госпитале; под его руководством проведено оснащение крупных кораблей российского флота рентгеновскими установками в лазаретах (первый – крейсер «Аврора»).

В Санкт - Петербурге (Россия) - улица имени Рентгена, установлен памятник Рентгену.

3. Как возникают рентгеновские лучи?

Рентген обнаружил рентгеновские лучи, но объяснить их природу не смог.

Ускоренные электрическим полем электроны бомбардируют анод рентгеновской трубки, в момент торможения появляются рентгеновские лучи и зеленый видимый свет.

Когда заряженная частица влетает в вещество, она тормозится, теряет свою скорость и излучает электромагнитные волны.

Пучок тормозящих электронов излучает волны с самыми разными длинами λ:

1) Около электрона, летящего с большой скоростью, существует электромагнитное поле. При резком торможении электрона полем ядра атома вещества на аноде происходит изменение электромагнитного поля, в результате излучается электромагнитная волна с диапазоном от 5 нм до 0,01 нм.

Такое излучение называется тормозным или белым рентгеновским излучением;

оно испускается самими электронами, движущимися в веществе.

2) Если электрон в ускоряющем электрическом поле приобретает достаточно высокую скорость, что проникает внутрь электронных слоев атома, то он выбивает один из электронов атома внутреннего слоя. На место вырванного электрона перескакивает электрон из более удаленного слоя и происходит излучение энергии.

Такое излучение имеет строго определенную длину волны λ. Характерную для данного химического элемента, и называется характеристическим. Является индивидуальной характеристикой атома вещества анода. (Открыто в 1905 г. английским физиком Ч. Баркла; он же доказал волновую природу рентгеновских лучей).

Таким образом, рентгеновское излучение возникает внутри атома вещества при воздействии на него ускоренных заряженных частиц.

Источники рентгеновского излучения – рентгеновская трубка, Солнце, звезды.

Рентген был уверен в волновой природе излучения, но допустил одну ошибку –

считал рентгеновские волны – продольными.

4. Число в водовороте у причала 4 ---- 1895 --- год открытия рентгеновских лучей.

5. Как устроена рентгеновская трубка (Р.Т.)

( Использовать при ответе таблицу)

Р.Т. – это электровакуумный прибор, служащий источником Р.И., которое возникает при взаимодействии испускаемых катодом электронов с веществом анода.

Катод Р.Т. – спираль или прямая нить из вольфрамовой проволоки, накаливаемой электрическим током.

Анод Р.Т. – имеет зеркальную скошенную поверхность; расположен перпендикулярно или под углом к потоку электронов, чтобы достигнуть минимального рассеяния электронов. Анод изготавливают из золота, титана, железа, никеля, кобальта, серебра, хрома.

Основной анод для отвода тепла делают из меди, дополнительно охлаждая водой.

Между катодом и анодом подают предельно допустимое высокое напряжение

U=1 кВ – 500 кВ.

Возникает электрический ток силой I=0,01мА – 1 А.

В Р.Т. создается глубокий вакуум, давление воздуха в Р.Т. p=10^-5 атм.

КПД Р.Т. ή=0,1 – 3%, низкий т.к. остальная часть энергии летящих электронов при торможении переходит во внутреннюю - тепловую энергию анода, поэтому анод и требует дополнительного охлаждения.

Ударяясь о поверхность мишени анода, электроны задерживаются и излучают рентгеновские лучи, которые выходят из колбы трубки через бериллиевые окна.

6. 
   Как удалось доказать, что рентгеновские лучи – это особые электромагнитные волны?
   

Для установления волновой природы рентгеновского излучения необходимо было зафиксировать интерференцию и дифракцию рентгеновских лучей.

В июне 1912г. в Мюнхенском университете Максом Лауэ, Фридрихом и Книппингом разработана теория и экспериментально открыта интерференция и дифракция рентгеновских лучей.

В 1913 г. в Англии отец и сын Брегги открыли дифракцию рентгеновских лучей и исследовали ее.

Рентген не поверил в эти открытия!

6. 
   Когда и как была доказана гипотеза о малой длине волны рентгеновского излучения?
   

( Использовать таблицу)

В июне 1912 г. обнаружена дифракция рентгеновских лучей. Лауэ и его коллеги направляли пучок рентгеновских лучей на кристалл. Излучение рассеивалось, это фиксировалось на фотопластинке. В качестве препятствий нельзя было использовать щели в пластинках или нить – не было бы отклонений лучей. Необходимы препятствия меньших размеров, сравнимых с размерами атомов (10^-10 м). значит и рентгеновские лучи имеют аналогичную длину волны!

В качестве дифракционной решетки взяты кристаллы с расстояниями между атомами сравнимыми с размерами самих атомов, т.е. 10^-10 м.

Использовались кристаллы поваренной соли с постоянной порядка 3*10^-10 м (т.е. меньше длины рентгеновского излучения).

Получена дифракционная картина (см. таблицу)

Из опытов по дифракции следовало – длина волны рентгеновского излучения меньше длины волны видимого света.

В 1914 г. Лауэ получил Нобелевскую премию.

В 1913 г. английские физики отец и сын Уильямы Брегги и русский физик Вульф обнаружили явление интерференции при отражении Р.Л. От атомных плоскостей кристаллов. В 1915 г. Брег получил Нобелевскую премию.

Производя определение длины волны рентгеновского излучения, ученые установили,

чем волны короче, тем меньше они поглощаются веществом.

Способность излучения проникать через вещество называется жесткостью излучения.

Рентген назвал слабо поглощаемые Р.В. – жесткими, а поглощаемые веществом – мягкими.

6. 
   Основные свойства рентгеновских лучей.
   

• 
  Ионизирующее действие, ионизирует воздух, разрушает молекулы.
  
• 
  Незначительное отражение, преломление, дифракция, интерференция.
  
• 
  Прямолинейность распространения.
  
• 
  Действие на фотопластинку с покрытием бромида серебра, фотоэмульсию, т.е. вызывает химические процессы. При попадании на фотопластинку, фотобумагу вызывает почернение – что используется в создании теневой фотографии.
  
• 
  Вызывает свечение ряда веществ (сульфата кадмия, виллемита, платиноцианата бария).
  
• 
  Оказывает сильное бактерицидное действие.
  
• 
  Высокая поникающая способность, обратно пропорциональная плотности вещества (чем легче атомы вещества, тем они меньше поглощают рентгеновские лучи) Используют для получения теневых фотографий, рентгеновских снимков. При просвечивании человеческого тела поглощение рентгеновским излучением, в костях, состоящих главным образом из фосфорнокислого кальция, приблизительно в 150 раз превышает поглощение в мягких тканях тела, где поглощает рентгеновское излучение в основном вода. Поэтому при просвечивании резко выделяется тень от костей.
  

При высоких дозах облучения рентгеновские лучи вызывают лучевую болезнь.

Основная используемая защита от рентгеновских лучей – свинец. В медицинских рентгенкабинетах стены покрыты специальной штукатуркой, содержащей соли бария.

9. Какова природа рентгеновского излучения?

( см. вопрос и ответ к №3)

10. Где и для чего применяют рентгеновские лучи?

Рентгеновский структурный анализ – изучение пространственной структуры кристаллов, минералов, неорганических соединений, сплавов, сплошных соединений белка, биологических объектов (вирусов). Применяют на таможне, при пропуске грузов, багажа. Дополнительный материал: «Впервые получено рентгеновское изображение вируса – 26.06. 2008 г.» на сайтеwww.elementy.ru./news/430761.

• 
  Рентгеновская спектроскопия и анализ – определение энергии связи электронов в атомах, энергетических уровнях, валентных состояниях атомов в химических соединениях, изучение структуры атома.
  
• 
  Рентгеновский химический анализ – определение химического состава всех элементов в микроскопических объемах до 1 мкм³.
  
• 
  Рентгеновская микроскопия: 1) исследование микроскопического строения объектов в медицине, минералогии, металловедении с помощью рентгеновского микроскопа; 2)оценка качества окраски, тонких покрытий, оклейки или отделки миниатюрных изделий; 3) получение микрорентгенфотографии биологических срезов толщиной до 200 нм; 4)анализ сплавов непрозрачных для света и электронов.
  
• 
  Рентгеновская топография – изучение дефектов строения в почти совершенных кристаллах.
  
• 
  Рентгеновская астрономия –1) исследование рентгеновского излучения космических тел; 2) 1948 г. в США открыто Р.И. Солнца; 3) 1962 г. открыты космические источники Р.И. – пульсары – остатки сверхновых звезд, галактики (Магеллановы облака, Туманность Андромеды).
  
• 
  Медицина – рентгеноскопия,
  

- рентгенодиагностика,

- рентгенография.

Доза облучения:

1 Р – 1 рентген – определяется по ионизирующему действию на сухой воздух.

При дозе в 1 Р в воздухе объемом 1 см³ образуется такое число «+» и «-» ионов, что суммарно они несут 1 единицу электрического заряда.

1 Р=2,58*10^-4 Кл/кг

1 бэр=0,01 Дж/кг - биологический эквивалент рентгена.

11. 
    На основе какого свойства рентгеновских лучей можно получать изображение внутренних органов человека?
    

(использовать рентгеновские снимки, стихи)

• 
  Дифракция рентгеновских лучей.
  
• 
  Проникающая способность рентгеновских лучей, обратно пропорциональная плотности вещества.
  
• 
  Свечение ряда веществ, содержащих барий под действием рентгеновских лучей.
  

Рентгеновское излучение (стихи)

Она тонка, стройна: ее скелет

Из хрупких кальция соединений

Лучей катодных всепроникновеньем

Воссоздан здесь. Рентгеновский портрет

Рисует гармоничность позвонков,

Стряхнувших эпидермиса покров.

И в дымке очертаний плоти слабой

Я вижу сердца трепетный овал;

Твою улыбку взор дорисовал,

И я шепчу: «Любимая, я раб твой!

О жемчуг рта! О, полутеней гамма!

Любовь и страсть моя, рентгенограмма!

Л. Рассел, 1912г.

11. 
    Какую информацию несет изображенная около стоянки №12 лауэграмма – картина, нарисованная рентгеновскими лучами?
    

(использовать таблицу, негатив рентгеновского снимка)

• 
  Дифракционное изображение монокристалла, полученное методом Лауэ.
  

• 
  Дифракционные максимумы – темные точки. 1) в центре – большое темное пятно, которое дают рентгеновские лучи, распространяющиеся прямолинейно; 2) вокруг главного максимума – маленькие точки максимумов, т.е. это дифракционная картина – рентгеновские волны отклоняются от прямолинейного распространения при прохождении около препятствий.
  

Применяют:

• 
  ориентировка неограненных монокристаллов,
  
• 
  определение нарушений внутри кристалла,
  
• 
  изучение дефектов внутри почти правильных кристаллов (идеальных),
  
• 
  изучение теплодиффузного рассеяния, тепловых колебаний,
  
• 
  фазовые превращения вещества, определение типа твердого раствора,
  
• 
  исследование ближнего и дальнего порядка в веществе.
  

11. 
    Почему создание и строительство рентгеновских микроскопов вызывает серьезные затруднения?
    

Рентгеновский микроскоп предназначен для исследования микроструктуры объектов в рентгеновском излучении.

Предел разрешения рентгеновского микроскопа может превышать разрешение световых микроскопов в 100 – 1000 раз. В то время как оптический микроскоп имеет увеличение в 2 – 3 тысячи раз, электронный микроскоп - в 200 тысяч раз, что позволило заснять двойную спираль молекулы ДНК.

Причины малого распространения рентгеновских микроскопов :

• 
  Несовершенство кристаллической структуры,
  
• 
  Большое фокусное расстояние, F>1 м.
  
• 
  Жесткие требования к качеству обработки зеркал, используемых для фокусировки рентгеновских лучей.
  
• 
  Невозможность использования для фокусировки рентгеновских лучей стеклянных линз, призм.
  

В 2001 г. в Санкт - Петербурге в объединении ЛОМО (санкт-петербуржское оптико-механическое объединение) построен рентгеновский микроскоп, увеличивающий в 20 млрд. раз (2*10¹⁰). Получено стереоскопическое изображение ячейки металлической решетки вольфрама, представленной так называемой диамантной структурой.

Ученые хотят видеть непосредственно атом!!!

Дополнительный материал:

• 
  «Достигнут новый предел разрешения рентгеновского микроскопа – 15.09. 2008 г.» на сайте www.elementy.ru./news/430829;
  
• 
  «Физики создали настольный рентгеновский микроскоп – 16.10. 2009 г.» на сайте
  

www.elementy.ru./news/431170.

14. Что такое рентгеновская дефектоскопия, на каком свойстве рентгеновских лучей она основана?

Рентгеновская дефектоскопия - метод обнаружения внутренних дефектов тел, раковин в отливках металлов, трещин в рельсах, проверка сварочных швов.

Основана на изменении поглощения рентгеновских лучей в изделии при наличии в нем полости (пустот) или однородных включений из-за разности плотности вещества.

Широко используется на железной дороге – рентгеновская дефектоскопическая лаборатория.

15. 
    Какими способами регистрируются рентгеновские лучи?
    

• 
  Изображение предметов в рентгеновских лучах и само рентгеновское излучение получают на специальной рентгеновской фотопленке, содержащей повышенное количество бромида серебра AgBr.
  
• 
  Рентгеновское излучение больших интенсивностей регистрируют с помощью ионизационной камеры, специальными счетчиками.
  

15. 
    Всегда ли на рентгеновском снимке размеры изображения предмета больше его истинных размеров?
    

• 
  Возможно рентгеновское рассеяние под большими углами у металлов (на рентгеновских снимках кольца большого диаметра); под малыми углами – нет колец максимального диаметра, рентгеновские лучи отклоняются незначительно.
  
• 
  Возможно одновременное рассеяние под максимальными и минимальными углами. Т.о. возникают искажения изображения предмета.
  
• 
  Минимальное рассеяние дают мембраны клеток в белковых соединениях (у вирусов), молекулы, образующие ткань мускулов.
  

17. Почему перед рентгеновским снимком желудка больному дают специальную бариевую кашу?

Соли бария при облучении рентгеновскими лучами фосфоресцируют (светятся) и на фотопластинке обнаруживаются дефекты, уплотнения. Что позволяет диагностировать онкологические заболевания.