Rentgenska cev in zavorno sevanje fb
 

Interakcija med atomi in fotoni




Avtor/ica gradiva ne nudi inštrukcij.


Ko elektroni prehajajo med elektronskimi orbitalami v atomu, sprejemajo ali oddajajo fotone elektromagnetnega valovanja.


Beseda spekter ima v fiziki lahko dva pomena:

  • Ponavadi imamo z besedo spekter v mislih poln razpon vseh valovnih dolžin (ali frekvenc) elektromagnetnega sevanja.

  • Včasih pa z besedo spekter mislimo na vse tiste valovne dolžine valovanja, ki ga določen predmet oddaja ali sprejema:

    • Emisijski spekter določene snovi je poln razpon valovnih dolžin elektromagnetnega valovanja, ki jih ta snov seva.

    • Absorpcijski spekter snovi dobimo, če skozi snov spustimo svetlobo vseh valovnih dolžin in ugotovimo katere od teh so atomi te snovi absorbirali oziroma preusmerili.


Emisijski ali absorpcijski spekter nekega svetila nam pove kakšna je narava svetlobe, ki jo svetilo oddaja. Odgovori nam na vprašanja kot so npr.:

  • Ali svetilo oddaja fotone vseh valovnih dolžin ali samo nekaterih?

  • Ali odda enako število fotonov pri vsaki valovni dolžini?

  • Pri kateri valovni dolžini seva svetilo najmočneje?

  • Kakšna je notranja zgradba snovi, ki svetlobo oddaja?

Preden pa si podrobneje pogledamo oba spektra, najprej spoznajmo spektrometer.


Spektrometer



Spektrometer je naprava, s katero analiziramo spekter svetlobe.


Spektrometer izmeri za vsako posamično valovno dolžino koliko je te svetlobe, ki vpada nanj. Preprosto rečeno, spektrometer:

  • prešteje fotone, ki padejo na njegov detektor,

  • nato za vsakega določi kakšna je njegova valovna dolžina

  • in jih razporedi po valovnih dolžinah (ali frekvencah).


V praksi so spektrometri navadno sestavljeni iz več sto posamičnih detektorjev, ter prizme ali uklonske mrežice, ki vpadno svetlobo razprši in razkloni po valovnih dolžinah.


Emisijski spekter



Če telo segrejemo ali obstreljujemo z delci, začne oddajati svetlobne fotone, torej začne sevati svetlobo. Fotoni nastajajo ob prehodih elektronov iz stanj z višjo v stanja z nižjo energijo. Poln razpon valovnih dolžin, ki jih telo na ta način oddaja imenujemo emisijski spekter. V grobem delimo smisijske spektre na:

  • zvezne

  • diskretne

Poglejmo si oba tipa podrobneje.


Zvezni emisijski spekter



Kadar telo oddaja svetlobne fotone vseh valovnih dolžin, rečemo, da je njegov emisijski spekter zvezen. Zvezen spekter oddajajo kemijsko zapletenejše snovi, v katerih so energijski nivoji elektronov tako številčni in energijsko tako blizu skupaj, da so praktično neprekinjeni (zvezni). Zaradi tega lahko pri prehodih med različnimi nivoji nastanejo fotoni s poljubnimi energijami.


Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Diskretni emisijski spekter



Emisijski spektri posamičnih atomov in snovi v plinastih stanjih so sestavljeni iz posameznih črt, ki jim pravimo spektralne črte. Spektralna črta predstavlja ozko območje z valovno dolžino, ki ustreza energiji prehodov med različnimi stanji v atomih. Tak spekter imenujemo diskretni spekter.


Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Absorpcijski spekter



Absorpcijski spekter snovi dobimo, če:

  • snov presevamo z belo svetlobo, ki vsebuje vse valovne dolžine,

  • nato pa s spektrometrom opazujemo prepuščeno svetlobo.

Na mestu valovnih dolžin, ki ustrezajo energijam prehodov atomov v snovi, se v spektru pojavijo temne proge.


Temne proge se pojavijo zato, ker atomi:

  • določene fotone bele svetlobe absorbirajo (to so natanko tisti fotoni, ki imajo energije, ki ustrezajo valovni dolžini temnih prog),

  • dvignejo elektrone na višje nivoje,

  • nato pa spet, ker se elektroni vrnejo v svoje začetno stanje, fotone izsevajo - a tokrat enakomerno v vse smeri.

Zaradi tega se v smeri, v katero so fotoni potovali na začetku, število absorbiranih fotonov precej zmanjša in je zato tudi gostota svetlobnega toka za te fotone mnogo manjša.


Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Rentgenski žarki



Rentgenski žarki so visoko energijsko elektromagnetno valovanje. Valovne dolžine rentgenskih žarkov se gibljejo med in - kar je precej več od npr. vidne svetlobe, ki ima valovne dolžine okoli .


Fotoni rentgenske svetlobe imajo energije med 0.1 keV in 1 MeV ter nastanejo, ko se zelo hitri nabiti delci (npr. elektroni, protoni,...) ustavljajo v snovi. Možni izvor rentgenskega sevanja so tudi prehodi elektronov med elektronskimi stanji z zelo različnimi energijami v težkih atomih.


V rentgenskih aparatih oziroma rentgenskih ceveh se rentgenske žarke ustvarja z uporabo prvega principa - to je z zaustavljanjem hitrih delcev v snovi, kot to prikazuje slika 6:


Slika 6: princip delovanja rentgenske cevi.



Opišimo dogajanje na sliki 6:

  • elektrone najprej toplotno izsevamo iz katode;

  • nato se jih do visoke hitrosti pospešimo z električnim poljem med katodo in anodo;

  • elektroni trčijo v anodo, kjer se tudi ustavijo in pri tem sevajo rentgenske fotone (pa tudi celoten spekter fotonov manjših energij).

Takemu zveznemu sevanju pravimo zavorno sevanje, saj fotoni nastajajo ob "zaviranju" elektrona v snovi.


Največja energija, ki jo lahko ima foton, ki nastane v rentgenski cevi, je določena z napetostjo med anodo in katodo in je enaka energiji, ki jo prejme elektron med pospeševanjem:




Elektron se lahko v snovi zaustavi tako, da:

  • se naenkrat popolnoma ustavi in vso svojo energijo odda izzsevanemu fotonu. V tem primeru dobimo foton z največjo možno energijo, ki je enaka kinetični energiji vpadnega elektrona.

  • se v snovi ustavlja v več korakih, kar pomeni, da se odbija od atoma do atoma in pri vsaki interakciji z atomom preda manjšo količino energije in s tem na svoji poti izseva več fotonov z nižjimi energijami.


Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »



glavni avtor in urednik gradiva: Primož Dolenc