Страница 53 из 214
См. также статьи «Волновое движение 2», «Простое гармоническое колебание».
РЕНТГЕНОВСКИЕ ЛУЧИ 1 — ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА
Рентгеновские лучи — это электромагнитные волны с длиной волны около 1 нм и менее, испускаемые при торможении быстрых электронов или изменении их направления в веществе либо при переходе электронов с внешних оболочек атома на внутренние в тяжелых атомах. Рентгеновские лучи были открыты в 1895 году Вильгельмом Рентгеном, наблюдавшим свечение флуоресцентного экрана при пропускании под высоким напряжением тока через вакуумную стеклянную трубку, называемую впоследствии рентгеновской. В ней в процессе термоэлектронной эмиссии электроны испускаются с горячей нити накала и притягиваются к металлическому аноду, имеющему высокий положительный потенциал по отношению к нити накала. При столкновении электроны останавливаются и теряют кинетическую энергию, испуская фотоны рентгеновского излучения.
Рентгеновские лучи содержат непрерывный спектр длин волн выше определенного минимального значения. Интенсивность распределения разных длин волн представляет собой непрерывную кривую начиная с минимальной длины волны с пиками интенсивности, накладываемыми на длины волн, характерными для цели. Цель в рентгеновской трубке обычно представляет собой вольфрам, имеющий высокую температуру плавления, а основная часть энергии рентгеновской трубки превращается в тепло.
Вольфрамовая цель может быть помещена между пластинами меди, обладающей большей теплопроводностью, чем вольфрам.
• Минимальная длина волны λмин соответствует кинетической энергии отдельного электрона, образующего один фотон. Количество полученной кинетической энергии равно проделанной работе eV анода с потенциалом V, так что энергия фотона hc/λмин = еV (где с — скорость света), что дает λмин = hc/eV. Проникающая способность рентгеновского излучения в данном материале зависит от максимальной энергии фотона в луче, пропорциональной напряжению анода.
• Пики интенсивности возникают, когда электроны луча сталкиваются с атомами цели и выталкивают электроны атомов с внутренних орбит. При заполнении внутренних вакансий электронами с внешних орбит атомов, испускаются фотоны с рентгеновской длиной волны.
См. также статьи «Фотон», «Электромагнитные волны».
РЕНТГЕНОВСКИЕ ЛУЧИ 2 — ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В МЕДИЦИНЕ
В медицине рентгеновское излучение используют для получения четкого снимка костей и внутренних органов. Пациент располагается на пути прохождения рентгеновского луча, т. е. между рентгеновской трубкой и пленкой в светонепроницаемой оболочке. Внутренние органы с большой плотностью и кости поглощают рентгеновское излучение, и, следовательно, на пленке возникает их изображение. Можно получить снимки и органов с меньшей плотностью, если заполнить их контрастным веществом, поглощающим рентгеновское излучение, например химическими соединениями бария.
• Рентгеновские лучи должны быть хорошо сфокусированными и поступать из точечного источника, иначе изображение получится размытым. Поверхность анода разворачивается под углом 70° к направлению потока электронов, так что эффективная зона, из которой исходят лучи, сводится к минимуму по отношению к площади падения электронов.
• Кроме того, трубка покрывается толстым слоем свинца, чтобы рентгеновские лучи не приносили вред обслуживающему персоналу. Для прохождения лучей строго через исследуемый орган пациента используются их ограничители.
• Рентгеновское излучение фильтруется металлической пластиной, располагающейся между лучом и пациентом. В результате до пациента доходит низкоэнергетическое излучение. Низкоэнергетические фотоны могут быть поглощены тканями с низкой плотностью, понижая риск нежелательного воздействия.
• Между пациентом и пленкой помещают коллимирующую[6] решетку, состоящую из толстой свинцовой пластины с многочисленными узкими отверстиями, расположенными параллельно. Рентгеновское излучение, рассеиваемое пациентом, не проходит через решетку, не достигает пленки и не засвечивает темные области последней.
См. также статьи «Рентгеновские лучи 1», «Электромагнитные волны».
СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ
Сверхпроводимость — это полное отсутствие электрического сопротивления. Сверхпроводник — вещество с нулевым сопротивлением. Критической температурой сверхпроводника называется температура, при которой и ниже которой он таковым и становится. Когда при охлаждении вещества достигается точка его критической температуры, то его сопротивление скачкообразно падает до нуля. При достаточно низкой температуре сверхпроводниками становятся металлы, некоторые сплавы и керамические вещества. Сверхпроводящий кабель проводит электричество не нагреваясь, так как сопротивление равно нулю. Сверхпроводящие магниты — это магниты, состоящие из сверхпроводящих проводников. Самые мощные магнитные поля, создаваемые сверхпроводящими магнитами, используются в системах магнитно-резонансной томографии в больницах и при исследовании мозга.
Сверхпроводимость впервые была открыта у ртути, охлажденной до 4,15 К. Потом оказалось, что некоторые металлы и сплавы также могут становиться сверхпроводниками — каждый при достижении своей критической температуры. До 1986 года наивысшей критической температурой считалась температура сплава ниобия и германия — 23,3 К. Затем открыли сверхпроводимость керамического проводника при 90 К. За этим довольно неожиданным открытием последовали открытия других материалов, проводящих при более высокой температуре. Факт, что сверхпроводимости можно достичь, охладив материал жидким азотом, закипающим при 77 К, дал основание называть их «высокотемпературными сверхпроводниками». В настоящее время высшая критическая температура равна приблизительно 130 К.
Известно, что сверхпроводимость металлов и сплавов вызвана тем, что электроны, отстоящие по атомным масштабам на большом расстоянии, образуют пары. Каждая пара электронов, называемая куперовской парой, находится в связанном состоянии и осуществляет упругие столкновения с ионами, электронами и другими куперовскими парами. Те, в свою очередь, проходят через вещество без потерь энергии и, следовательно, с нулевым сопротивлением.
См. также статьи «Сопротивление», «Электропроводность».
СИЛА И ДВИЖЕНИЕ
• Импульсом тела называют произведение его массы на скорость. Единицей импульса служит килограмм-метр в секунду (кг∙м/с). Импульс — величина векторная.
• Первый закон Ньютона гласит: всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока действующие на него силы не изменят это состояние. Понятно, что сила — это физическое воздействие, которое может изменить состояние движения тела. Если тело находится в состоянии покоя или равномерного движения, на него либо не действуют никакие силы, либо равнодействующая сила равна нулю.
• Второй закон Ньютона гласит: скорость изменения импульса тела пропорциональна равнодействующей силе, приложенной к телу. Представим себе тело с постоянной массой m, на которое действует постоянная сила F, так что его скорость изменяется с u на v за промежуток времени t. Поскольку сила пропорциональна отношению изменения импульса ко времени, то F = k∙(mv — mu)/t, где k — постоянный коэффициент. Поскольку ускорение а = (v — u)/t, то F = kmа. Если дать определение единице силы, ньютону (Н), как количеству силы, которая придает телу массой 1 кг ускорение в 1 м/с2, то k = 1 и этот закон принимает вид F = mа при условии, что сила измеряется в ньютонах, масса в килограммах, а ускорение в метрах на секунду в квадрате. Третий закон Ньютона утверждает: при взаимодействии два тела действуют друг на друга с силами, равными по величине и противоположными по направлению, другими словами, «всякому действию соответствует равное противодействие».