2 января 2022
Практика по новому заданию ЕГЭ по физике.
Физический смысл изученных физических величин, законов и закономерностей.
1. Выберите все верные утверждения о физических явлениях, величинах и закономерностях. Запишите цифры, под которыми они указаны.
1) Энергия упруго деформированной пружины прямо пропорциональна её удлинению.2) Теплопередача путём электромагнитного излучения возможна только в атмосфере Земли и не наблюдается в вакууме.3) При соединении двух разноимённо заряженных металлических шаров металлической проволокой перераспределение зарядов будет происходить до полного выравнивания потенциалов шаров.4) Электромагнитные волны ультрафиолетового диапазона имеют бóльшую длину волны, чем радиоволны.5) В нейтральном атоме суммарное количество электронов равно суммарному количеству протонов в ядре этого атома.
2. Выберите все верные утверждения о физических явлениях, величинах и закономерностях. Запишите цифры, под которыми они указаны.
1) По мере удаления от Луны сила притяжения к ней убывает прямо пропорционально расстоянию до её центра.2) В процессе изотермического сжатия постоянной массы газа его внутренняя энергия увеличивается.3) При протекании постоянного электрического тока по проводнику количество теплоты, выделяющееся в нём за одно и то же время, прямо пропорционально квадрату силы тока.4) Явления интерференции и дифракции могут наблюдаться для электромагнитных волн любого диапазона.5) Через промежуток времени, равный периоду полураспада, нераспавшимися остаётся половина от большого количества изначально имевшихся радиоактивных ядер данного элемента.
3. Выберите все верные утверждения о физических явлениях, величинах и закономерностях. Запишите цифры, под которыми они указаны.
1) Кинетическая энергия тела увеличивается прямо пропорционально скорости движения тела.2) Теплопередача путём конвекции происходит за счёт переноса вещества в струях и потоках.3) В процессе электризации трением два первоначально незаряженных тела приобретают одноимённые заряды.4) При переходе электромагнитных волн через границу раздела двух сред с разными показателями преломления длина волны остаётся неизменной.5) При альфа-распаде заряд ядра уменьшается на 2 элементарных положительных заряда.
4. Выберите все верные утверждения о физических явлениях, величинах и закономерностях. Запишите цифры, под которыми они указаны.
1) Тело, форма и размеры которого при наличии внешних воздействий остаются неизменными, называется абсолютно твердым телом.2) В процессе плавления постоянной массы вещества его внутренняя энергия увеличивается.3) Одноимённые точечные электрические заряды притягиваются друг к другу.4) Магнитное поле индукционного тока в контуре всегда увеличивает магнитный поток, изменение которого привело к возникновению этого индукционного тока.5) При α-распаде ядро теряет примерно четыре атомные единицы массы, в результате появившийся в ходе реакции элемент смещается на две клетки влево в Периодической таблице Д.И. Менделеева.
5. Выберите все верные утверждения о физических явлениях, величинах и закономерностях. Запишите цифры, под которыми они указаны.
1) Энергия характеризует способность тела совершать работу.2) В цилиндре под поршнем расширение газа в ходе адиабатного процесса сопровождается понижением его температуры.3) Если электрический ток протекает по алюминиевому проводнику, то ни при каких условиях не может наблюдаться действие тока на магнитную стрелку.4) При изменении магнитного потока через площадку, охваченную замкнутым проводящим контуром, магнитное поле индукционного тока в контуре всегда увеличивает магнитный поток через эту площадку.5) При β-распаде ядра выполняется закон сохранения электрического заряда.
1) 352) 3453) 254) 1255) 125
Задания по теме «Интерференция, дисперсия, дифракция»
.В некотором спектральном
диапазоне угол преломления лучей на границе воздух-стекло падает с
увеличением частоты излучения. Ход лучей для трех основных цветов
при падении белого света из воздуха на границу раздела показан на
рисунке.
Цифрам соответствуют цвета
1) 1 — красный, 2 —
зеленый, 3 — синий
2) 1 — красный,
2 — синий, 3 — зеленый
3) 1 — зеленый,
2 — синий, 3 — красный
4) 1 — синий,
2 — зеленый, 3 — красный
Технология «просветления»
объективов оптических систем основана на использовании явления:
1) дифракция 2)
интерференция 3) дисперсия 4) поляризация
На плоскую непрозрачную пластину с двумя узкими
параллельными щелями падает по нормали плоская монохроматическая
волна из зеленой части видимого спектра. За пластиной на параллельном
ей экране наблюдается интерференционная картина, содержащая
большое число полос. При переходе на монохроматический свет из фиолетовой
части видимого спектра
1) расстояние между интерференционными
полосами увеличится
2) расстояние между
интерференционными полосами уменьшится
3) расстояние между
интерференционными полосами не изменится
4) интерференционная
картина станет невидимой для глаза
находятся
близко друг от друга и создают на удаленном экране устойчивую интерференционную
картину (см. рисунок).
Это возможно, если — малые отверстия в непрозрачном экране, освещенные
1) каждое своим солнечным
зайчиком от разных зеркал
2) одно — лампочкой
накаливания, а второе — горящей свечой
3) одно синим светом,
а другое красным светом
4) светом от одного
и того же точечного источника монохроматического света
Два источника испускают электромагнитные
волны частотой c одинаковыми
начальными фазами. Максимум интерференции будет наблюдаться в
точке пространства, для которой разность хода волн от источников равна:
1) 0,9 мкм 2) 1,0 мкм 3) 0,3 мкм
4) 1,2 мкм
Для видимого света угол преломления световых лучей на некоторой
границе раздела двух сред уменьшается с увеличением длины волны излучения.
Ход лучей для трех цветов при падении белого света из воздуха на границу
раздела показан на рисунке. Цифрам соответствуют цвета
1) 1 — синий, 2 —
зелёный, 3 — красный
2) 1 — синий,
2 — красный, 3 — зелёный
3) 1 — красный,
2 — зелёный, 3 — синий
4) 1 — красный,
2 — синий, 3 — зелёный
Свет от двух точечных когерентных монохроматических
источников приходит в точку 1 экрана с разностью фаз , в точку 2 экрана с разностью фаз . Одинакова ли в этих точках освещенность и
если не одинакова, то в какой точке она больше?
1) одинакова и отлична от нуля
2) одинакова и равна нулю 3) не одинакова, больше в точке 1
4) не одинакова, больше в точке 2
При освещении мыльной пленки белым светом наблюдаются
разноцветные полосы. Какое физическое явление обусловливает появление
этих полос?
1) дифракция 2) интерференция
3) дисперсия 4) поляризация
На плоскопараллельную стеклянную пластинку
и стеклянную призму падает луч белого света (см. рисунок).
Дисперсия
света в виде радужных полос на экране
1) будет наблюдаться
только в случае А
2) будет наблюдаться
только в случае Б
3) будет наблюдаться
и в случае А, и в случае Б
4) не будет наблюдаться
ни в случае А, ни в случае Б
Дисперсией света объясняется:
А. возникновение окраски подвесок
люстры из бесцветного хрусталя в зависимости от точки наблюдения.
Б. цвет подвесок люстры,
изготовленных из окрашенного стекла.
Верно(-ы) утверждение(-я): 1)
только А 2) только Б 3) и А, и Б 4) ни А, ни Б
На рисунке изображён фрагмент интерференционной картины,
полученной от двух когерентных источников света. Какое(-ие) утвержден
ие(-я) являе(-ю)тся правильным(-и)?
А. Оптическая
разность хода лучей от источников до точки 1 равна чётному числу половин
длины волны.
Б. В точку
2 световые волны от источников приходят в одной фазе.
1) верно только А 2) верно
только Б 3) верно и А и Б
4) не верно ни А, ни Б
Если кольцо диаметром 3—4 см, согнутое из тонкой проволоки,
окунуть в раствор мыла или стирального порошка, то, вынув его из раствора,
можно обнаружить радужную пленку, затягивающую отверстие кольца.
Если держать кольцо так, чтобы его плоскость была вертикальна, и рассматривать
пленку в отраженном свете на темном фоне, то в верхней части пленки
через некоторое время будет видно растущее темное пятно, окольцованное
разноцветными полосами. Как чередуется цвет полос в направлении
от темного пятна к нижней части кольца? Ответ поясните, используя физические
закономерности.
Ответы к заданиям по теме
«Интерференция, дисперсия, дифракция» (тип задания 13 КИМов)
Поскольку
угол преломления падает с увеличением частоты излучения, а красный
свет имеет самую маленькую частоту, получаем, что угол преломления
для него максимален, луч меньше всего преломляется (3 — красный).
Синий луч имеет самую большую частоту, а значит угол преломления для
него минимален (1 — синий). Остается 2 — зеленый. Правильный
ответ: 4.
«Просветление»
объективов оптических систем заключается в нанесении на поверхность
линз тонких пленок для увеличения доли пропускаемого света. Технология
основана на использовании явления интерференции. Пленка наносится
таким образом, чтобы лучи, отраженные от ее внутренней и внешней сторон,
гасили друг друга вследствие интерференции, тем самым уменьшая долю отраженных
назад лучей. Ответ: 2.
Две щели
играют роль когерентных источников света. Максимумы интерференции
наблюдаются в точках экрана, для которых оптическая разность хода
волн от источников кратна целому числу волн. Поскольку монохроматический
свет из фиолетовой части видимого спектра имеет меньшую длину волны,
чем свет из зеленой части, расстояние между интерференционными полосами
уменьшится.Правильный ответ: 2.
Для формирования
устойчивой интерференционной картины необходимо наложение когерентных
световых волн. Когерентными называют монохроматические волны с
одинаковой частотой и постоянной разностью фаз. Источники света и создают устойчивую интерференционную
картину, если и —
малые отверстия в непрозрачном экране, освещенные светом от одного и
того же точечного источника монохроматического света. Правильный
ответ: 4.
Отсюда
находим длину волны света, испускаемого источниками:
Так как источники испускают волны с одинаковыми начальными
фазами, максимум интерференции будет наблюдаться в точках пространства,
для которых оптическая разность хода волн от источников удовлетворяет
соотношению
Из предложенных
вариантов ответа подходит вариант 4 Правильный ответ: 4.
Поскольку угол преломления
уменьшается с увеличением длины волны излучения, а синий свет имеет
самую маленькую длину волны, получаем, что угол преломления для него
максимален, луч меньше всего преломляется (3 — синий). Красный
луч имеет самую большую длину волны, а значит угол преломления для него минимален
(1 — красный). Остается 2 — зеленый. Правильный ответ: 3.
Условие интерференционных минимумов имеет вид
то есть разность хода должна равняться полуцелому
числу длин волн.
Условие интерференционных максимумов:
(разность фаз равна целому числу волн). Следовательно,
в точке 1 экрана находится интерференционный минимум, освещенность
в этой точке равна нулю. А в точке 2 экрана находится интерференционный
максимум, и освещенность там отлична от нуля.
Разноцветные
полосы на мыльной пленки при освещении белым светом обусловлены интерференцией
волн, отраженных от внешней и внутренней поверхностей пленки. Волны
когерентны, так как они испущены одним и тем же источником света. Усиление
света происходит, если разность хода равна целому числу длин волн. Волны
разного цвета в составе белого света имеют разную длину волны. Мыльная
пленка имеет неоднородную толщину, поэтому в разных местах происходит
усиление разных цветов. В итоге возникает такая переливчатая окраска.
Правильный ответ: 2.
Дисперсией
называется зависимость фазовой скорости от длины волны, это приводит
к зависимости от длины волны показателя преломления. При нормальном
падении белого света на границу раздела двух сред разложения в спектр
не происходит, поскольку угол падения равен нулю. А вот при попадании
света под углом отличным от ,
волны разных длин волн преломляются по-разному, в результате чего
можно наблюдать радужные полосы. Таким образом, радужные полосы на
экране можно наблюдать и в опыте А, и в опыте Б. При этом в опыте Б получится
расходящийся пучок цветных лучей, а в опыте А получится пучок параллельных
цветных лучей, плоскопараллельная пластина сместит лучи разных длин
волн на разное расстояние.
Дисперсией
называется зависимость абсолютного показателя преломления вещества
от частоты (или длины волны) света.
Цветное стекло пропускает через себя
только свет соответствующего цвета, волны других частот поглощаются.
Утверждение Б ошибочно.
Возникновение окраски подвесок люстры
из бесцветного хрусталя в зависимости от точки наблюдения действительно
объясняется явлением дисперсии. Подвески представляют собой призмы.
Белый свет разлагается в спектр при прохождении через них из-за различия
в показателях преломления для разных частот. В зависимости от угла
наблюдения в глаз попадают лучи из разных участков спектра. Этим и
определяются радужные переливы. Таким образом, верно только утверждение
А. Правильный ответ: 1
Точка 1 лежит в центре тёмной полосы,
которая соответствует интерференционному минимуму. В этой точке
выполняется условие равенства оптической разности хода лучей полуцелому
числу длин волн, то есть нечетному числу полуволн: Δ = (2n+1)λ/2.
Утверждение А неверно.
Точка 2
лежит в центре светлой полосы, которая соответствует интерференционному
максимуму. В эту точку световые волны приходят в фазе, поэтому усиливают
друг друга. Утверждение Б верно. Правильный ответ 2.
1. Окраска
пленки обусловлена интерференцией света, отраженного от передней
и задней поверхностей пленки.
2. Темное
пятно на пленке появляется, когда из-за стекания мыльного раствора
вниз толщина пленки становится слишком малой и не наблюдается интерференционный
максимум ни для одной из длин волн в видимом диапазоне.
3. По направлению
от темного пятна к нижней части кольца толщина пленки постепенно увеличивается,
поэтому условие наблюдения первого интерференционного максимума
при переходе от темного пятна к нижней части кольца выполняется сначала
для света с наименьшей длиной волны (фиолетового), а затем по очереди
для света всех цветов радуги, заканчивая светом с наибольшей длиной
волны (красным). Затем наблюдаются максимумы следующих порядков. В
результате под темным пятном пленка окрашена в фиолетовый цвет,
затем в синий и т. д. до красного. Затем чередование цветов повторяется,
но цвета начинают смешиваться, т. к. возможно наложение друг на
друга максимумов разных порядков для разных длин волн.
Гамма-излучение — это коротковолновое электромагнитное излучение с длиной волны менее 1 нм, что соответствует энергии фотона около 1 кэВ.
Простое объяснение
Одним из самых интересных явлений, наблюдаемых во Вселенной, являются гамма-вспышки. Это короткие импульсы гамма-излучения, которые появляются в среднем раз в день где-то в небе. Источники гамма-вспышек расположены в миллиардах световых лет от Земли и являются самыми мощными взрывами во Вселенной. Обычно всего за несколько секунд они выделяют больше энергии, чем наше Солнце за всю свою жизнь. Считается, что гамма-вспышки возникают в результате взрывов очень массивных звезд — сверхновых, которые коллапсируют в черную дыру.
Приведенный ниже материал поможет вам лучше понять, что такое гамма-излучение, каковы его свойства, как оно возникает и как взаимодействует с веществом.
Рассматривая визуализации спектра электромагнитного излучения, можно заметить, что каждый тип излучения ассоциируется с каким-либо широко используемым устройством, которое использует данный тип излучения. Такие визуализации «работают на воображение», в некотором смысле «знакомя» нас с определенным типом электромагнитного излучения.
Исключением является гамма-излучение ( γ ), которое чаще всего визуализируется с помощью клевера, являющегося символом радиоактивности. Гамма-излучение действительно широко используется, например, в медицинской диагностике, однако используемые устройства гораздо менее распространены и менее известны, чем, скажем, рентгеновский аппарат.
Свойства
Гамма-излучение — это электромагнитная волна очень высокой энергии, т.е. очень короткой длины волны (рис. 2.). Условно принято, что верхний предел длины гамма-волны составляет 0,1 нм, что соответствует минимальной энергии гамма-кванта около 0,1 МэВ. Следует отметить, что не существует строгой границы между гамма-излучением и рентгеновскими лучами, которые имеют большую длину волны и меньшую энергию, чем гамма-излучение. Диапазоны обоих типов электромагнитных волн частично перекрываются.
Рис. 2. Электромагнитный спектр
Гамма-излучение, как и другие виды электромагнитного излучения, распространяется в вакууме со скоростью света, т.е. 3 * 108 м / c
В случае гамма-излучения квантовая природа излучения становится наиболее очевидной. Во всех наблюдаемых явлениях гамма-фотоны ведут себя как частицы, обладающие импульсом. Хотя гамма-излучение является электромагнитной волной, наблюдение волновых явлений, таких как дифракция, очень сложно.
Энергия гамма-фотонов, E, выражается формулой: E = h * f = h * c / λ
где h = 6,6*10-34 Дж*с — постоянная Планка, f — частота волны, λ — длина волны, c = 3*108 м/с — скорость света.
Источники гамма-излучения также находятся вокруг нас. К счастью, они обычно не излучают такую энергию, которая могла бы причинить нам вред. В природе его основными источниками являются распады естественных радиоактивных изотопов и космическое излучение.
Источником гамма-излучения обычно являются атомные ядра. Гамма-квант испускается атомным ядром в результате радиоактивного распада. Испуская гамма-квант, ядро избавляется от избыточной энергии и переходит из возбужденного состояния в основное.
Взаимодействие с веществом
Гамма-излучение называют ионизирующим излучением. Это означает, что, взаимодействуя с веществом, оно способно ионизировать атомы и молекулы. Мы выделяем три основных процесса взаимодействия гамма-излучения с веществом:
Эффект Комптона — неупругое рассеяние фотона заряженной частицей, обычно электроном, названное в честь первооткрывателя Артура Холли Комптона. Если рассеяние приводит к уменьшению энергии, поскольку часть энергии фотона передаётся отражающемуся электрону, что соответствует увеличению длины волны фотона (который может быть рентгеновским или гамма-фотоном), то этот процесс называется эффектом Комптона
Рис. 3. Диаграмма комптоновского рассеяния
3. Создание электрон-позитронных пар, заключающееся в изменении высокоэнергетического фотона в пару частица-античастица. Для того чтобы процесс произошел, энергия кванта гамма-излучения должна быть больше, чем сумма масс покоя частиц, умноженная на c2. Масса электрона, определенная в единицах МэВ / c2 составляет 0,51. Таким образом, предельная энергия фотона составляет около 1.02 МэВ.
Вероятность возникновения того или иного процесса зависит от энергии фотонов гамма-излучения и от материала, в котором происходит взаимодействие. На рисунке 4 представлена диаграмма условий, в которых доминируют определенные, упомянутые процессы. По оси x — энергия фотона, по оси y — атомный номер (зарядовое число) материала. В случае материалов со средним и высоким атомным номером, фотоэффект доминирует при низких энергиях фотонов (ниже около 1 МэВ), эффект Комптона доминирует при средних энергиях фотонов (около 1-5 МэВ). Высокоэнергетические кванты гамма-излучения (выше 5 МэВ) подвергаются в основном созданию электрон-позитронных пар.
Рис. 4. Диаграмма условий, при которых доминируют три основных процесса взаимодействия электромагнитного излучения с веществом
Гамма-излучение характеризуется очень высокой проникающей способностью. Эффективное поглощение пучка фотонов требует использования толстых экранов, обычно изготовленных из свинца или другого материала с высокой плотностью и атомным номером.
Во всех этих явлениях появляются высокоэнергетические электроны, которые еще больше ионизируют материю. Возникновение одного из этих явлений является случайным. Гамма-фотон может пройти большой путь в веществе и не быть поглощенным. Если пучок гамма-лучей проходит через вещество, некоторые из фотонов будут случайным образом удалены из пучка в результате одного из вышеперечисленных процессов, в то время как другие будут двигаться беспрепятственно даже через толстый слой вещества.
Поглощение гамма-фотонов в веществе можно сравнить с ездой сумасшедших водителей, которые движутся с постоянной высокой скоростью и не останавливаются на светофорах. Некоторые из них быстро выбывают из движения из-за аварий, но некоторые счастливчики могут проехать сотни километров.
Защита и вред от гамма-излучения
Гамма-излучение является длинноволновым излучением — диапазон гамма-излучения в веществе теоретически бесконечен, но на практике достаточная защита обеспечивается свинцовыми пластинами или многометровым слоем бетона.
Гамма-излучение дальнего действия может стать для нас проблемой, поскольку это излучение вредно для живых организмов. Он очень проникающий, легко проходит по всему телу, а ионизация вызывает повреждение клеток различных органов. Если доза поглощенного излучения превышает определенное значение, называемое пороговой дозой, может возникнуть лучевая болезнь.
Ионизация вызывает повреждение клеток живых организмов. Поэтому гамма-излучение достаточно высокой интенсивности является смертельным для организмов. Кроме того, гамма-излучение очень проникающее и легко проходит через толстый слой воздуха и большинство окружающих нас предметов. При контакте с источниками гамма-излучения необходимо соблюдать осторожность и надевать защиту, обычно в виде свинцовых пластин. Гамма-излучение лучше всего поглощается материалами, содержащими элементы с высоким массовым числом, например, свинец.
Однако гамма-излучение не является экзотическим явлением, с которым мы не сталкиваемся в повседневной жизни. Гамма-излучение, исходящее от радиоактивных изотопов, которых в каждом предмете, а также в нашем теле содержится очень мало, постоянно присутствует в окружающей среде. Гамма-излучение также достигает поверхности Земли из космоса и является компонентом так называемого космического излучения. Окружающее нас излучение, известное как фоновое излучение, не вредно для нас. Только высокие дозы, которым могут подвергаться, например, работники атомных электростанций, представляют собой проблему и требуют специальной защиты.
Гамма-излучение образуется внутри звезд в реакциях слияния легких ядер в более тяжелые. При этом выделяется огромная энергия, которая испускается, в частности, в виде гамма-излучения. Самые большие выбросы гамма-излучения происходят при крупных космических катастрофах, таких как столкновения между нейтронными звездами или черными дырами или коллапс массивной звезды в черную дыру при взрыве сверхновой. Так называемые гамма-вспышки, которые достигают Земли, происходят в результате таких событий.
Применение
Ядерная медицина, отрасль медицины, использующая радиоактивные изотопы для терапии и диагностики, в последние годы стремительно развивается. Посмотрите на фотографию оборудования (рисунок 5) для радиотерапии в клинике в Гейдельберге (Германия). Оборудование стоимостью 119 миллионов евро занимает огромный зал, и все это для пациента, которого мы видим в правом нижнем углу, лежащего внутри огромного аппарата. Ядерная медицина — это обширная и интересная область. Здесь мы обсудим некоторые применения гамма-излучения в медицине и других областях жизни.
Рис. 5. Университетская клиника Гейдельберга
Мы также можем использовать опасные свойства гамма-излучения в своих целях. Это излучение можно использовать для стерилизации медицинского оборудования, а также пищевых продуктов.
Стерилизация заключается в уничтожении бактерий, плесени, грибков, паразитов и патогенных микроорганизмов с помощью ионизирующего излучения. Во время процедуры используется гамма-излучение, исходящее от радиоактивного изотопа кобальта, или высокоэнергетические электроны, получаемые в ускорителях. Типы источников излучения и правила эксплуатации радиационного оборудования регламентируются международными стандартами. Они гарантируют, что при облучении в пищевых продуктах не образуются вредные для здоровья вещества. Продукты питания дольше сохраняют свою свежесть, так как при облучении погибают микроорганизмы, вызывающие разложение продуктов.
Одно из наиболее распространенных применений гамма-излучения — радиоизотопные счетчики. Эти измерители используются для точного измерения толщины материала, когда это измерение невозможно выполнить стандартным методом. К ним относятся абсорбционные измерители, принцип действия которых основан на явлении поглощения гамма-излучения.
Чем толще материал, тем больше поглощается падающий луч. С одной стороны измеряемого объекта находится источник излучения, например, кобальт Top Index 60Co, помещенный в экран, а с другой стороны — детектор гамма-лучей, который измеряет, сколько излучения прошло через материал. Знание зависимости поглощения гамма-излучения от толщины материала позволяет определить измеряемую толщину.
Диапазон измерения толщины очень широк и варьируется от долей миллиметра до нескольких сантиметров. Радиоизотопные измерители не контактируют с измеряемым материалом во время измерения, что позволяет проводить измерения подвижных, высокотемпературных, вязких материалов, а также материалов и медицинских изделий, для которых важно не загрязнять образец во время измерения. Гамма-излучение кобальта 60Co также используется в дефектоскопии, которая занимается обнаружением скрытых дефектов в изделиях.
Очень важной областью применения гамма-излучения является медицина. Это излучение используется как для лечения рака, так и для диагностики. Этим занимается отрасль медицины, называемая ядерной медициной. Устройства, используемые в ядерной медицине, включают:
Обследование начинается с введения радиофармпрепаратов в организм пациента. Это химические соединения, состоящие из двух элементов — радиоактивного изотопа и носителя, способного депонироваться в тканях и органах. Носители особенно интенсивно поглощаются раковыми клетками внутри опухоли. Атомные ядра радиоактивного изотопа подвергаются трансформации, в ходе которой они испускают гамма-кванты. Количество испускаемого излучения зависит от содержания радиофармацевтического препарата в соответствующей области. Таким образом, из области опухоли будет испускаться больше гамма-квантов, чем из других областей.
Излучение измеряется непосредственно с помощью внешнего детектора — гамма-камеры. Пространственное изображение получается при вращении камеры вокруг исследуемой области пациента. Изображения собираются из последовательных положений зонда, отличающихся на несколько градусов. Таким образом, измерения производятся при полном обороте вокруг пациента. Для ускорения процесса сбора данных чаще всего используются двухголовые камеры, расположенные друг напротив друга. Они проводят измерения одновременно, что ускоряет обследование в два раза (рис. 6.). Все полученные результаты измерений затем подвергаются компьютерной обработке, что позволяет создать трехмерное изображение исследуемой области.
Список используемой литературы
Вильгельм Конрад Рентген, немецкий физик, родился 27 марта 1845 в Леннепе близ Дюссельдорфа.
В 1865-1868 учился в Высшей технической школе в Цюрихе, в 1868 защитил докторскую диссертацию в Цюрихском университете.
В 1871-1873 работал в Вюрцбургском, в 1874-1875 – в Страсбургском университете. В 1875 стал профессором математики и
физики Высшей сельскохозяйственной школы. С 1876 – профессор Страсбургского университета, в 1879 по рекомендации Г.Гельмгольца
получил место профессора Гиссенского университета. В 1888-1900 – профессор Вюрцбургского (в 1894 избран ректором), а в 1900-1920 –
Мюнхенского университета. В 1895 Рентген открыл излучение с меньшей, чем у ультрафиолетовых лучей, длиной волны (Х-лучи), названное
впоследствии рентгеновским, и исследовал его свойства: способность отражаться, поглощаться, ионизировать воздух. Первым сделал
фотоснимки в рентгеновских лучах. Рентгеновское излучение широко применяется в изучении строения атома, структуры кристаллических
веществ (в том числе одномерных кристаллов, какими являются некоторые биологические макромолекулы);
благодаря высокой проникающей способности используется в медицине.
Однажды, в ходе проведения эксперимента по откачиванию газа из трубки, (это случилось 8 ноября 1895 г.)
Рёнтген, чтобы облегчить наблюдения, затемнил комнату и обернул трубку Крукса (без окошка Ленарда) плотной непрозрачной черной бумагой.
К своему удивлению, он увидел на стоявшем неподалеку экране, покрытом цианоплатинитом бария, полосу флуоресценции. Тщательнейшим образом
проанализировав и устранив возможные причины ошибок, он установил, что флуоресценция появлялась всякий раз, когда он включал трубку, что
источником излучения является именно трубка, а не какая-нибудь другая часть цепи и что экран флуоресцировал даже на расстоянии почти двух метров от трубки,
что намного превосходило возможности короткодействующих катодных лучей.
Следующие семь недель он провел, исследуя явление, которое он назвал Х-лучами (т.е. неизвестными лучами).
Тень, которую отбрасывал на флуоресцирующий экран проводник от индукционной катушки, создававшей необходимое для разряда высокое напряжение,
навела Рёнтгена на мысль об исследовании проникающей способности Х-лучей в различных материалах. Он обнаружил, что икс-лучи могут проникать почти
во все предметы на различную глубину, зависящую от толщины предмета и плотности вещества. Держа небольшой свинцовый диск между разрядной
трубкой и экраном, Рёнтген заметил, что свинец непроницаем для икс-лучей, и тут сделал поразительное открытие: кости его руки
отбрасывали на экран более темную тень, окруженную более светлой тенью от мягких тканей.
Рис. Рентгенограмма кисти [33. img].
Кроме того, Рентген занимался изучением пьезоэлектрических и пироэлектрических свойств кристаллов, взаимосвязи электрических и оптических явлений в кристаллах,
исследованиями по магнетизму, послужившими основанием электронной теории Х. Лоренца.
28 декабря 1895 года В. Рентген отправляет в Физико-медицинское общество Вюрцбурского университета
30 страниц рукописи “О новом роде лучей”. 9 марта 1896 года В. Рентген завершил вторую статью об открытой радиации, а 10
марта 1897 года — третью (и последнюю) — “Дальнейшие наблюдения над свойствами икс-лучей”. В этих трех статьях, опубликованных практически в течение
одного года, в виде четко сформулированных тезисов дано исчерпывающее описание икс-лучей:
Три работы по исследованию Х-лучей, выполненные Рентгеном в 1895 – 1896 г.г.,
дают хорошее представление о методах его работы. В них содержится большое количе-ство материала. С их помощью стало
возможным составить весьма точное представление о свойствах рентгеновских лучей (об особенностях их взаимодействия с веществом), которое
просуществовало без всяких исправлений и добавлений около 12 лет,
несмотря на то, что за это время появилось очень много работ по рентгеновским лучам.
Рис. Чарльз Гловер Баркла
К 1911 г. Чарльз Баркла установил, что само характеристическое излучение тяжёлых
элементов бывает двух типов: более проникающее излучение, которое он назвал K-излучением, и менее проникающее, названное им
L-излучением. Исследования Баркла принесли ему известность: в 1917 г. он был награждён Нобелевской премией по физике «за открытие
характеристического рентгеновского излучения элементов» «Открытие Баркла оказалось явлением весьма важным для исследований в области физики»,
– писал Г. Д. Гранквист, член Шведской королевской академии наук, в 1918 г. в специальной статье. «Открытие дифракции рентгеновских лучей на
кристаллах дало в руки средство измерения длин их волн, и последовавшие затем исследования
K- и L-серий принесли плоды огромной важности для понимания внутреннего строения атомов».
На стипендию в Тринити-колледже (Кембридж) в 1899 г. Баркла изучал физику у Джорджа Стокса и проводил
исследования в Кавендишской лаборатории под руководством Дж. Дж. Томсона. Полтора года спустя он перешел в Кингс-колледж, где смог петь в
его знаменитом хоре; обладая превосходным баритоном, он часто солировал. В 1902 г. Баркла отказался от хоровой стипендии в Кембридже и вернулся
в Ливерпуль в качестве стипендиата; здесь два года спустя он получил докторскую степень по физике. Он оставался в Ливерпуле до 1909 г. сначала в
качестве лаборанта, затем ассистента и, наконец, лектора по специальным курсам. Все эти годы Баркла работал над исследованием рентгеновских лучей,
которое начал еще в 1901 г., на третий год своего пребывания в Кембридже. В 1909 г.
он покинул Ливерпуль, чтобы занять ставку профессора физики в Кингсколледже в Лондоне.
Длительное время среди физиков продолжался спор о природе рентгеновского излучения: волны или частицы?
Экспериментальные данные свидетельствовали в пользу и того, и другого мнения.
Открытие дифракции рентгеновских лучей в кристаллах.
Вскоре, немецкий физик Макс фон Лауэ заинтересовался проблемой, окончательно нерешенной со времени
открытия рентгеновского излучения (Х-лучей) Вильгельмом Рентгеном: является ли это излучение одной из форм электромагнитного излучения с
очень короткой длиной волны?
Макс Теодор Феликс фон Лауэ (рис. 38.) родился в семье гражданского служащего ведомства военных судов
Юлиуса Лауэ и Минны Церренер. Когда отец Лауэ получил потомственное дворянство в 1913 г., его фамилия обрела дворянскую приставку «фон». По роду
деятельности отца, семья Лауэ часто переезжала с места на место, поэтому Лауэ пришлось учиться во многих школах, но главным образом среднее
образование он получил в протестантской гимназии Страсбурга. Примерно в двенадцать лет Лауэ стал интересоваться физикой, и его мать
разрешила ему посещать «Уранию» – берлинское общество, занимавшееся популяризацией науки. Окончив в 1898 г. гимназию, Лауэ стал заниматься
физикой, химией и математикой в Страсбургском университете. В это же время он проходил обязательную годичную военную службу. В 1903 г. он в
Берлинском университете защитил с отличием докторскую диссертацию по теории интерференции света в плоско-параллельных пластинках.
Рис. Макс фон Лауэ [34. img].
В этих особых условиях Лауэ совершил свое гениальное открытие. В своем нобелевском докладе он написал, как в феврале 1912 года ему
пришла в голову та идея, что нужно попробовать пропустить через кристаллы
рентгеновские лучи, которая оказалась такой плодотворной и богатой последствиями в научном отношении.
По мнению Лауэ, при просвечивании кристаллов рентгеновскими лучами должны будут обнаружиться явления дифракции и
интерференции, которые уже давно были известны
у обычного света. Но только если рентгеновские лучи действительно имеют волновую природу.
“Лежавшая в основе идея, – говорил позднее Лауэ о своем открытии, – казалась мне после того, как я к ней
однажды пришел, настолько само собой разумеющейся, что я никогда не мог понять удивления, которое она вызвала в мире специалистов, равно
как и сомнения, с каким ее встречали еще несколько лет спустя”. Данная идея Лауэ была, как считал Планк, не случайной внезапной мыслью, а “неизбежным
результатом логической цепи идей”. У Лауэ она появилась раньше,
чем у других физиков, т.к. она находилась в тесной связи с вопросами, которые занимали его научное мышление.
“Сколько физиков уже пропускали рентгеновские лучи через кристаллы, не
замечая дифракции лучей, – говорил Макс Борн в юбилейной речи, посвященной
открытию Лауэ. – Нужна была способность мысленно увидеть лучи прежде, чем
они появятся на пластинке. Именно в этом заслуга Лауэ”.
Лауэ выбрал для своих опытов кристаллы медного купороса CuSO4*5H2O триклинной сингонии, обладающие только центром симметрии.
Поэтому рентгенограмма получилась сложной, и по ней не удалось сказать ничего определенного о внутренней структуре кристалла. В том же 1912 г.
Вильям Лоуренс Брэгг (1890—1972) в Англии повторил опыт Лауэ, взяв кристаллы высокой симметрии, сначала сфалерит ZnS, а затем поваренную соль NaCl.
На этот раз оказалось, что симметрия рентгеновского снимка соответствует симметрии кристалла. Более того, в том же году был найден и на следующий год
опубликован простой закон отражения рентгеновских лучей атомными плоскостями, известный теперь как формула Брэгга — Вульфа. Чуть позже Брэгга, ту же
формулу вывел русский кристаллограф Георгий Викторович Вульф (1863—1925). Так, всего через несколько месяцев после открытия Лауэ был найден способ
расшифровки рентгеновских снимков. А уже через два года создатель первого рентгеновского спектрометра, отец и соавтор В. Л. Брэгга, Вильям Генри Брэгг
(1862—1942), смог сказать, что теперь «стала доступной рассмотрению архитектура кристаллов. Кристаллография больше уже не обязана опираться только
на внешнюю форму кристаллов,
а может основываться на точных сведениях о расположении атомов внутри кристалла».
Рис. Первые лауэграммы (Сульфат меди)
Лауэ, Фридрих, Книппинг едва ли осознавали тогда. что их эксперимент был краеугольным камнем, гигантским шагом для всего человечества. Он открыл путь для
изучения структуры материи и природы химических связей вплоть до понимания молекулярных основ жизни.
“Этот шаг,- писал Макс фон Лауэ позже в своей автобиографии,- содержал доказательство сугубо индивидуальной структуры
кристаллов. Вряд ли я мог сделать такую работу один. Я всегда интересовался преимущественно общим пониманием принципов физики.
Брегги, отец и сын, имели предпочтение к исследованию отдельных структур, и смогли посвятить свои труды структуре кристаллов”.
С этого момента началось развитие методов рентгенографического анализа структуры кристаллов и в течение первого же года
получены сведения об атомной структуре множества кристаллов.
Геометрическая теория дифракции.
Рис. Вульф, Георгий (Юрий) Викторович [37. img]
В геометрической кристаллографии Георгий Вульф разработал простой графический метод обработки результатов
измерения кристаллов. Метод связан с изобретенной Вульфом в 1897 стереографической сеткой, получившей его имя. При помощи сетки Вульфа
можно графически вычислить символы всех граней кристалла, а также константы кристалла — осевые углы с точностью до 30′ и отношения осевых единиц
а: в: с до третьего знака.
В настоящее время сетка Вульфа применяется при всех кристаллографических работах.
Рис. Сетка Вульфа [38. img]
Статья Г.В. Вульфа опубликована в Physikalische Zeitschrift 1913, 14, 217.
Найденное Вульфом соотношение идентично по смыслу полученной Уильямом Бреггом известной формуле
В дальнейшем вся деятельность Вульфа была связана с дифракцией рентгеновских лучей.
Уже в 1916 году он перевел на русский язык книгу У.Г. и У.Л. Бреггов “Рентгеновские лучи и кристаллическая структура”.
Георгий Викторович Вульф был первым, кто в нашей стране начал проводить рентгеноструктурные исследования материалов. Г.В. Вульф был впервые направлен на
работу в Казанский университет после защиты
докторской диссертации, там он преподавал кристаллографию на кафедре минералогии в 1897-98 учебном году.
Рис. Генри Мозли (1887 – 1915) [39. img].
Закон Мозли явился неопровержимым доказательством правильности размещения элементов в периодической системе элементов Д. И.
Менделеева и содействовал выяснению физического смысла Z.
В соответствии с законом Мозли, рентгеновские характеристические спектры не обнаруживают периодических закономерностей,
присущих оптическим спектрам. Это указывает на то, что проявляющиеся в характеристических рентгеновских спектрах внутренние электронные оболочки
атомов всех элементов имеют аналогичное строение. Более поздние эксперименты выявили некоторые отклонения
от линейной зависимости для переходных групп элементов, связанные с изменением порядка заполнения внешних электронных оболочек,
а также для тяжёлых атомов, появляющиеся в результате релятивистских эффектов (условно объясняемых тем, что скорости внутренних сравнимы со скоростью света).
Эффект Комптона
Рис. Артур Комптон [40. img].
Эффектом комптона называется упругое рассеяние электромагнитного излучения на свободных электронах,
сопровождающееся увеличением длины волны. Этот эффект наблюдается при рассеянии излучения малых длин волн — рентгеновского и гамма-излучения.
Впервые в этом эффекте полностью проявились корпускулярные свойства излучения.
Первоначальная теория Эффекта Комптона на основе квантовых представлений была дана А. Комптоном и независимо П. Дебаем.
По квантовой теории рентгеновская волна представляет собой поток квантов — фотонов. Каждый фотон имеет определённую энергию
Совместное решение уравнений, выражающих равенства суммарной энергии и суммарного импульса частиц до
и после столкновения (в предположении, что электрон до столкновения покоился),
даёт для сдвига длины волны рассеянного рентгеновского излучения Δλ формулу Комптона:
Здесь λ’ — длина волны рассеянного рентгеновского излучения, ϴ — угол рассеяния фотона.
Из формулы Комптона следует, что сдвиг длины волны Δλ не зависит от самой длины волны падающего рентгеновского излучения λ.
Он определяется лишь углом рассеяния фотона 2ϴ и максимален при 2ϴ = 180°, т. е. при рассеянии назад
Историческая справка
В реальных опытах по рассеянию фотонов веществом электроны не свободны, а связаны в атомах. Если фотоны обладают большой
энергией по сравнению с энергией связи электронов в атоме (фотоны рентгеновского и g-излучения), то электроны испытывают настолько сильную
отдачу, что оказываются выбитыми из атома. В этом случае рассяние фотонов происходит как на свободных электронах. Если же энергия фотона недостаточна
для того, чтобы вырвать электрон из атома, то фотон обменивается энергией и импульсом с атомом в целом. Так как масса атома очень велика, то отдача
практически отсутствует; поэтому рассеяние фотона произойдет без изменения его энергии, то есть без изменения длины волны. В тяжелых атомах слабо
связаны лишь электроны, размещенные на внешних электронных оболочках, и поэтому в спектре рассеянного излучения присутствует как смещенная,
комптоновская линия от рассеяния на этих электронах, так и не смещенная, когерентная линия от рассеяния на атоме в целом. С увеличением атомного
номера элемента (то есть заряда ядра) энергия связи электронов увеличивается, и относительная интенсивность комптоновской линии падает, а когерентной
линии — растет.
