ГЛАВА II. ФОТОНЫ

§ 8. Тормозное рентгеновское излучение

В предыдущей главе мы узнали, что для объяснения свойств теплового излучения пришлось ввести представление об испускании электромагнитного излучения порциями На. Квантовая природа излучения подтверждается также существованием коротковолновой границы тормозного рентгеновского спектра.

Рис. 8.1.

Рентгеновские лучи возникают при бомбардировке быстрыми электронами твердых мишеней. Рентгеновская трубка (рис. 8.1) представляет собой эвакуированный баллон с несколькими электродами. Нагреваемый током катод К служит источником свободных электронов, испускаемых вследствие термоэлектронной эмиссии (см. § 61). Цилиндрический электрод Ц предназначен для фокусировки электронного пучка. Мишенью является анод А, который называют также антикатодом. Его делают из тяжелых металлов ((W, Сu, Pt и т. д.). Ускорение электронов осуществляется высоким напряжением, создаваемым между катодом и антикатодом. Почти вся энергия электронов выделяется на антикатоде в виде тепла (в излучение превращается лишь 1—3% энергии). Поэтому в мощных трубках антикатод приходится интенсивно охлаждать. С этой целью в теле антикатода делаются каналы, по которым циркулирует охлаждающая жидкость (вода или масло).

Если между катодом и антикатодом приложено напряжение U, электроны разгоняются до энергии . Попав в вещество антикатода, электроны испытывают сильное торможение и становятся источником электромагнитных волн. Мощность излучения Р пропорциональна квадрату заряда электрона и квадрату его ускорения:

(см. формулу (109.6) 2-го тома).

Предположим, что ускорение электрона w остается постоянным в течение всего времени торможения . Тогда мощность излучения также будет постоянной, и за время торможения электрон излучит энергию

где — начальная скорость электрона.

Полученный результат показывает, что заметное излучение может наблюдаться лишь при резком торможении быстрых электронов. На рентгеновские трубки подается напряжение до 50 кВ. Пройдя такую разность потенциалов, электрон приобретает скорость, равную . В бетатроне (см. § 76 2-го тома) электроны могут быть ускорены до энергии в 50 МэВ. Скорость электронов при такой энергии составляет 0,99995 с. Направив ускоренный в бетатроне пучок электронов на твердую мишень, получают рентгеновские лучи весьма малой длины волны. Чем меньше длина волны, тем меньше поглощаются лучи в веществе. Поэтому рентгеновские лучи, получаемые на бетатроне, обла» дают особенно большой проникающей способностью.

При достаточно большой скорости электронов, кроме тормозного излучения (т. е. излучения, обусловленного торможением электронов), возбуждается также характеристическое излучение (вызванное возбуждением внутренних электронных оболочек атомов антикатода). Это излучение рассматривается в § 38. Сейчас нас будет интересовать лишь тормозное излучение. Согласно классической электродинамике при торможении электрона должны возникать волны всех длин от нуля до бесконечности.

Длина волны, на которую приходится максимум мощности излучения, должна уменьшаться по мере увеличения скорости электронов, т. е. напряжения на трубке U. На рис. 8.2 даны экспериментальные кривые распределения мощности тормозного рентгеновского излучения по длинам волн, полученные для разных значений U. Как видно из рисунка, выводы теории в основном подтверждаются на опыте. Однако имеется одно принципиальное отступление от требований классической электродинамики. Оно заключается в той, что кривые распределения мощности не идут к началу координат, а обрываются при конечных значениях длины волны

Рис. 8.2.

Экспериментально установлено, что коротковолновая граница тормозного рентгеновского спектра связана с ускоряющим напряжением U соотношением

где выражена в ангстремах, a U — в вольтах.

Существование коротковолновой границы непосредственно вытекает из квантовой природы излучения. Действительно, если излучение возникает за счет энергии, теряемой электроном при торможении, то величина кванта не может превысить энергию электрона

Отсюда получается, что частота излучения не может превысить значения югаах а следовательно, длина волны не может быть меньше значения

Таким образом, мы пришли к эмпирическому соотношению (8.1). Найденное из сопоставления формул (8.1) и (8.2) значение хорошо согласуется со значениями, определенными иными способами. Из всех методов определения метод, основанный на измерении коротковолновой границы тормозного рентгеновского спектра, считается самым точным,