Загальна інформація
Опис
Більшість застосувань рентгенівських променів ґрунтується на їхній здатності проходити крізь речовину. Оскільки ця здатність залежить від густини речовини, стає можливим отримання зображень внутрішніх частин об'єктів і навіть людей. Це знаходить широке застосування в таких галузях, як медицина або безпека.
Експериментальна установка
Додаткова інформація (1/2)
Попередні
знання
Попередні знання, необхідні для цього експерименту, наведено в розділі "Теорія".
Науковий
принцип
Рентгенівські промені проникають в об'єкти, непроникні для видимого світла. Поглинання залежить від товщини і типу матеріалу. Ця залежність якісно демонструється на флуоресцентному екрані за допомогою зразків з різним коефіцієнтом поглинання.
Додаткова інформація (2/2)
Інша інформація (2/2)
Мета навчання
Мета цього експерименту - дослідити характеристику проходження рентгенівських променів через речовину.
Завдання
- Спостерігайте за пропусканням рентгенівських променів в залежності від товщини матеріалу.
- Визначте, як атомний номер елементів у матеріалі впливає на пропускання рентгенівських променів.
Теорія (1/3)
Рентгенівські промені невидимі для людського ока. Для того, щоб їх можна було сприймати, їх "перетворюють" на видиме світло за допомогою флуоресценції та певних матеріалів. Ці речовини поглинають рентгенівське випромінювання і переходять у збуджений стан. Коли вони повертаються в основний стан, вони частково випромінюють цю енергію. Втрата енергії призводить до зміни довжини хвилі випромінюваного світла: Довжина хвилі стає довшою і тепер знаходиться у видимому діапазоні. У наш час в якості люмінесцентної речовини на екрані використовується переважно сульфід цинку. Рентгенівські промені проникають в об'єкти, непроникні для видимого світла. Видиме світло поглинається в набагато меншій мірі. Поглинання залежить від товщини і типу матеріалу. Якщо раніше рентгенівське випромінювання використовували навіть для того, щоб перевірити, чи добре сидить взуття, то тепер ми знаємо про шкідливий вплив цього випромінювання. В аеропортах його використовують для перевірки багажу.
Коли рентгенівське випромінювання з інтенсивністю потрапляє на речовину товщиною , інтенсивність випромінювання , що проходить, відповідно до закону поглинання має такий вигляд:
(1)
Теорія (2/3)
- інтенсивність випромінювання за поглиначем; - початкова інтенсивність випромінювання,
- лінійний коефіцієнт поглинання; - товщина матеріалу.
Рівняння (1) безпосередньо показує, що інтенсивність випромінювання за поглиначем також залежить від товщини поглинача. Лінійний коефіцієнт поглинання залежить від довжини хвилі випромінювання, а також від атомного номера поглинаючої речовини. Поглинальна здатність речовини різко зростає при збільшенні довжини хвилі або атомного номера поглинача. Оскільки поглинання поглинаючої речовини є пропорційним, часто використовують так званий масовий коефіцієнт поглинання , де - густина поглинача.
Проте тут можна виключити поглинання внаслідок утворення пар, оскільки рентгенівське випромінювання не має необхідного енергетичного рівня. В результаті, коефіцієнт поглинання для рентгенівських променів складається з двох частин:
Теорія (3/3)
- коефіцієнт поглинання фотоелектричного ефекту; - коефіцієнт розсіювання
У діапазоні довжин хвиль, який використовується для цього експерименту, домінує фотоелектричний ефект (). Поглинання для цього випадку може бути описано такою емпіричною залежністю:
(2)
Відповідно до (2), поглинаюча здатність різко зростає, коли довжина хвилі збільшується, а також коли збільшується атомний номер поглинача.
За ослаблення відповідають такі процеси:
- фотоелектричний ефект
- розсіювання
- утворення пар
Обладнання
| Позиція | Матеріал | Пункт №. | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | XR 4.0 X-ray Базова рентгенівська установка, 35 кВ | 09057-99 | 1 |
| 2 | XR 4.0 Знімна рентгенівська трубка Cu | 09057-51 | 1 |
| 3 | XR 4.0 X-ray Рентгенівське зображення, розширення | 09155-88 | 1 |
Підготовка та виконання роботи
Підготовка
- Якщо в експериментальній камері встановлений гоніометр, його слід за можливості зняти.
- Встановіть оптичну лаву і розташуйте флуоресцентний екран у тримачі на оптичній лаві якомога далі вправо. Для стійкого розташування різних об'єктів перед флуоресцентним екраном рекомендується використовувати предметні столики.
Виконання роботи (1/4)
- Для завдання 1розташуйте зразки алюмінію різної товщини поруч один з одним перед екраном. Закрийте та зафіксуйте дверцята. Потім увімкніть рентгенівське випромінювання. Спостерігайте за результатом на флуоресцентному екрані. Ви також можете покласти зразки один на один. Повторіть цю процедуру з пластинами з плексигласу.
- Для завдання 2дуже цікавим є порівняння різних матеріалів, таких як акрилове та мінеральне скло. Поміняйте матеріали місцями і поспостерігайте за результатом.
Виконання роботи (2/4)
Розташуйте об'єкт безпосередньо перед флуоресцентним екраном або на відстані від нього, прямо на шляху променя. Якщо об'єкт розташовано на відстані від екрана, то його буде збільшено, і водночас він втратить різкість. Ви отримаєте висококонтрастне зображення за максимальної напруги на аноді (35 кВ) і максимальної сили струму на аноді (1,0 мА).
Тепер закрийте двері і дійте наступним чином:
- Заблокуйте двері за допомогою кнопки 1.
- Активуйте рентгенівське випромінювання за допомогою кнопки 2.
Кнопка 1
Потім на дисплеї відображається:
Кнопка 2
Виконання роботи (3/4)
Регулювання напруги і сили струму на аноді:
- Натисніть кнопку під "Меню" (дисплей).
- У наступному вікні виберіть "Параметри рентгенівського зображення" (використовуйте клавіші зі стрілками для вибору).
- Виберіть параметр, який необхідно змінити.
- Підтвердіть свій вибір натисканням Enter.
- Змініть поточне значення, яке відображається за допомогою клавіш зі стрілками.
- Підтвердіть натисканням Enter.
- Тепер будуть відображені нові параметри.
Виконання роботи (4/4)
Фотозйомка цифровою камерою:
- Закріпіть камеру на ковзній опорі на оптичній лаві.
- Переведіть камеру в нічний режим і вимкніть спалах.
- Повністю затемніть приміщення або накрийте камеру кришкою.
- Ми рекомендуємо запускати камеру з таймером автоспуску, щоб зображення не розпливалося під час роботи з камерою.
Оцінка
Завдання 1
Спостереження за пропусканням рентгенівських променів залежно від товщини матеріалу
Як видно з рисунків 1 і 2, поглинання сильно залежить від товщини матеріалу, що також випливає з рівняння 1.
Рис. 1: Оргскло, зліва направо: 1 мм, 5 мм і 10 мм (угорі: без поглинача)
Рис. 2: Алюміній, зліва направо: 0,3 мм, 0,5 мм і 1 мм.
Завдання 2
Спостереження за пропусканням рентгенівських променів в залежності від атомного номера
Акрилове скло порівняно з мінеральним склом (рис. 3):
Оскільки плексиглас є органічним полімером, він складається здебільшого з вуглецю (Z=6), водню (Z=1) і кисню (Z=8), тобто з елементів із низьким атомним номером. Мінеральне скло містить кремній (Z=14), який можна знайти безпосередньо під вуглецем у періодичній таблиці елементів. Він має вищий атомний номер, що призводить до значно більшого поглинання рентгенівських променів у мінеральному склі.
Рис. 3: Оргскло (ліворуч, 1 мм) і скло (праворуч, 1 мм).
Завдання 2 (частина 2)
Картон/алюміній порівняно із залізом (рис. 4)
У цьому випадку велике значення має різниця між атомними номерами двох елементів ( 13; 26). Картон складається переважно з органічних матеріалів. Порівняно з металами, елементи, які в них беруть участь, тобто вуглець ( 6), водень ( 1) і кисень ( 8), мають дуже низькі атомні номери.
Рис. 5: Зліва направо: алюміній, картон, залізо (усі: 1 мм).