Тема: ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ . 1 Электромагнитное излучение. Масса

Тема: ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ . 1 Электромагнитное излучение. Масса и импульс фотона. Шкала электромагнитных волн. 2. Эффекты взаимодействия фотонов с веществом: Фотоэффект; Эффект Комптона и образование «пар» электрон –позитрон. 3. Закон ослабления электромагнитного излучения при взаймодействии с веществом.

1. Электромагнитное излучение. Масса и импульс фотона. Шкала электромагнитных волн. Электромагнитные волны являются поперечными волнами и представляют собой распространение в пространстве переменного электромагнитного поля, которое характеризуется переменным электрическим вектором E и переменным вектором напряженности магнитного поля H колебания которых происходят во взаимно перпендикулярных плоскостях (Рис. 1), а также перпендикулярно направлению распространения волны. Планк установил, что энергия электромагнитных волн излучается в виде отдельных элементарных порций, названных фотонами или квантами, и обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами.

Рис. 1. Графическое представление электромагнитнитной волны. Векторa , и взаимно перпендикулярны

Глаз человека способен воспринимать только те электромагнитныe излучения, длина волны которых лежит в интервале от 400 нм до 750 нм. На нижерасположенной диаграмме представлены длина волны и области применения электромагнитных волн (рис. 2).

Согласно теории Планка, энергия кванта электромагнитного излучения определяется формулой: ; ; . где h – постоянная Планка, h = 6, 62 10 -34 Дж с. Так как фотон является элементарной частицей, находящейся в движении, ему свойственна некоторая масса движения (масса покоя фотона равна нулю), а значит и некоторый импульс. Энергия: ;

; Импульс: ; ;

Независимо от источников излучения и от их энергии электромагнитные волны распространяются в вакууме с постоянной скоростью: с=2, 98 108 м с-1. 2. Взаимодействие фотонов с веществом При взаимодействии фотона с веществом его энергия поглощается. Изучение этого взаимодействия важно по двум причинам : • Потому, что это физическое явление дает возможность регистрировать различные виды электромаг. излучении. • Поглощение излучения веществом представляет собой начальный этап химического и биологического взаимодействия этого излучения с веществом.

Для больших длин волн ( 1 мкм) энергия фотонов не превышает энергию теплового излучения при комнатной температуре. Поэтому излучения с такой длиной волны не будут иметь никакое химическое или биологическое воздействие на вещество. Некоторые эффекты электромагнитных волн могут происходить только при длинах волн начиная с ультрафиолетовым излучением. Конкретные значения энергии фотонов из спектра электромагнитных излучении представлены в таблице №. 1

Область Длина волны, Энергия фотона, излучения h Инфракрасная 100 -1 мкм 0, 01 -1, 2 э. В область Видимая область 435 нм 2, 8 э. В ультрафиолетова 235 нм 4, 8 э. В я Рентгеновское 0, 006 нм 2 105 э. В излучение - излучение 0, 0015 нм 106 э. В

Из всех видов взаимодействии фотонов с веществом можно выделить три основных: фотоэффект; Комптон- эффект и образование пар электрон-позитрон. Фотоэффект имеет место тогда, когда энергия падающего фотона достаточна для ионизации атома: h Aи При этом фотон полностью поглощается, а его энергия расходуется на ионизацию атома и сообщение кинетической энергии выбитому электрону: Ек=h + Aи

. Рис. 3. Схема Фотоэффекта.

Комптон эффект (рис. 4)происходит тогда, когда энергия фотона намного больше энергии ионизации Аи: h Аи. При этом электрон отрывается от атома и приобретает некоторую кинетическую энергию.

РИС. 4 Комптон -эффект

Возможен и третий тип взаимодействия фотонов с веществом, а именно образование пар электрон - позитрон. Эффект образования пар электрон-позитрон возможен в том случае, если энергия фотона больше 1, 02 Мэ. В. В этом случае фотон проходит сквозь электронную оболочку и, попадая в поле действия атомного ядра, поглощается ядром. В результате поглощения из ядра испускается один электрон (е-) и один позитрон (е+ ) (рис. 5). Кинетическая энергия пары электрон-позитрон равна: m 0 c 2 -Энергия массы покоя электрона

Вероятность того, что при поглощении фотона веществом, будет происходить тот или иной эффект (фотоэффект, Комптон – эффект или образование пар е- - е+) зависит от энергии фотона и от порядкового номера атома вещества.

В зависимости от порядкового номера химического элемента и энергии падающего электромагнитного излучения, могут быть выделены три области преобладающие для каждого из трех основных типов взаимодействии (Рис. 6) Рис. 6. Схема основных видов взаимодействия излучения с веществом.

3. Законослабления электромагнитного излучения При прохождении потока излучения через вещество часть излучения поглощается, часть рассеивается, а оставшиеся часть проходит через вещество. Поглощение энергии электомагнитного излучения происходит согласно квантовым законам. Из общего потока излучения часть проходит через слой вещества толщиной Х, а другая часть либо поглощается либо рассеивается nх (рис. 7). Рис. 7. Ослабление потока излучения и направление падающих фотонов Математическое выражение, устанавливающее связь между числом падающих фотонов и прошедших через вещество, является:

Существует определенная связь между линейным коэффициентом поглощения излучения и толщиной слоя, при котором поток излучения уменьшается в два раза. Специфические явления ослабления энергии потока фотонов при прохождении его через вещество могут наблюдаться для излучения с определенной длиной волны. Например, фотоны ультрафиолетового или рентгеновского излучения могут возбуждать атомы вещества и в результате выбивать электроны с внешних уровней электронных оболочек атомов. Это явление называется ионизацией вещества.