Размещено: Надежда Лаптева - сб, 30/01/2010 - 20:45
Сегодня на уроке мы рассмотрим последний вид излучения в данной теме – рентгеновское излучение. Обратите внимание на шкалу электромагнитых излучений, рентгеновское излучение располагается на ней в самом конце, после него только гамма – лучи.
Это последний вид излучения, о котором мы будем заносить сведения в сводную таблицу электромагнитных излучений. Таблицу надо будет сдать через урок. На уроке мне сегодня будут помогать Света Лодыгина, Таня Васильцова и Лена Фадеева.
Но сначала мы повторим все, что знаем об инфракрасном и ультрафиолетовом излучениях. Дайте ответы на следующие вопросы:
1. Почему они так называются?
2. В каком порядке располагаются инфракрасное, видимое и ультрафиолетовое излучения на шкале электромагнитных излучений?
3. Чем же отличаются эти излучения друг от друга?
4. Какими общими свойствами они обладают?
5. Какими свойствами еще обладает инфракрасное излучение?
6. Где оно применяется?
7. Какими свойствами обладает ультрафиолетовое излучение?
8. Какое свойство присуще только ультрафиолетовому излучению и не присуще инфракрасному и световому излучениям?
9. Где применяется ультрафиолетовое излучение? Какие свойства его используются?
10.Какой вид излучения следует за ультрафиолетовым на шкале электромагнитных излучений?
Мы познакомимся с историей открытия рентгеновских лучей, их свойствами и на основе свойств с применением рентгеновского излучения.
Ваша задача быть очень внимательными на уроке, выделить из услышанного материала необходимые для заполнения таблицы данные. В конце урока мы послушаем несколько человек, узнаем, что они будут писать в таблицу.
Чтобы понять в связи с чем Рентген занимался «катодными лучами», мы послушаем сообщение о развитии физики в конце 19 века.
Мы узнаем, чем были заняты умы ученых в это время, об этом нам расскажут Лена и Света.(доклад учеников)
Доклад ученика.
ИЗУЧЕНИЕ КАТОДНЫХ ЛУЧЕЙ
Вопрос о природе электричества возник в XVIII в., когда в области электричества был накоплен достаточно широкий круг фактов, требующих единообразного объяснения.
Ответ на вопрос о природе электричества был таким: электричество – это особая невесомая жидкость, состоящая из частичек, отталкивающихся друг от друга и притягивающихся к частицам вещества. Эту первую гипотезу о природе электричества высказал американский ученый Бенджамин Франклин. Электрические частицы Франклина - это первые предвестники электрона.
Существовали и другие гипотезы, согласно которым имеется два рода электрических жидкостей - избыток одной из них означает наличие в теле положительного, а другой - отрицательного заряда. Несмотря на плодотворность этих гипотез, объяснявших качественно многие явления, никаких количественных выводов, проверяемых на опыте, из этих гипотез вывести не удалось.
Принципиально новый шаг в представлениях об электричестве был сделан лишь в 30-е годы XIX в. в связи с изучением явления электролиза.
В это время М. Фарадей установил экспериментально два закона электролиза, носящих его имя. Эти законы невольно наталкивали на мысль о дискретности электрического заряда и о том, что атомы наделены электрическими силами.
Мысль о дискретности электричества высказывалась еще раньше немецким физиком Вильгельмом Вебером, который считал, «что с каждым весомым атомом связан электрический атом». Но идея атомарности электричества не была популярной.
В этот период Максвеллом была создана теория электромагнитного поля. В основе ее лежала идея существования непрерывной электромагнитной среды, а заряды в ней играли второстепенную роль.
Идея атомарности электричества привлекла к себе вновь внимание лишь после знаменитой речи Гельмгольца, авторитетнейшего физика того времени.
Итак. Изучение электролиза привело к формированию гипотезы о том, что электричество есть нечто делящееся на элементарные порции и связанное с частицами вещества. Прямых подтверждений этой гипотезы при изучении явления электролиза найти не удалось. Эти подтверждения были найдены позднее в связи с исследованием проводимости газов.
Изучение разряда в газах также было начато Фарадеем. Переход от изучения проводимости электролитов к изучению проводимости газов кажется вполне логичным: в сосуде с электролитом между электродами, соединенными с источником, возникает ток. А если то же самое осуществить, взяв сосуд с газом? Оказывается, что и через газ будет идти ток. Правда, нужен источник большого напряжения.
Немецкий ученый Юлиус Плюккер обнаруживает, что проводимость по мере разрежения газа растет. Ученик Плюккера Гитторф обнаруживает на стенках трубки тень от предмета, помещенного напротив катода. Это дает веские основания считать, что катод испускает особые лучи, так и названные «катодными». Они распространяются от катода перпендикулярно к нему и прямолинейно, вызывают флюоресценцию стекла и откланяются магнитным полем.
Катодные лучи привлекают к себе внимание английского ученого Вильяма Крукса, который был искусным экспериментатором. Дж.Дж. Томсон говорил о нем: «Это был исключительно независимый, оригинальный и мужественный ум, он смотрел на явления по-своему и не боялся высказывать мнения, в корне отличные от утверждений всех прежних ортодоксов». Крукс обнаружил механическое действие катодных лучей (известная «мельница Крукса»), прямолинейность их распространения, фокусирующее действие вогнутого зеркала на катодные лучи, их тепловое действие (расплавление фольги в фокусе зеркала), люминирующее действие лучей, отклонение их магнитным полем и влияние на них электрического поля. Опыты Крукса были не только убедительны, но и необычайно эффектны, их стали воспроизводить во всех лабораториях.
Какова же природа катодных лучей?
Крукс делает вывод, что катодные лучи - это « мельчайшие элементарные частицы, которые с большой долей вероятности можно считать физической основой вселенной».
Английские физики приняли объяснение Крукса: катодные лучи - это отрицательно заряженные частицы, поскольку они отклоняются магнитным полем именно так, как должны отклоняться отрицательные частицы.
Иной точки зрения придерживались немецкие физики, возглавляемые Г. Герцем, которые считали катодные лучи электромагнитными волнами. Влияние магнитного поля на пучок лучей Герц объяснял действием поля на эфир, в котором распространяются электромагнитные волны. Все остальные свойства катодных лучей вполне можно было объяснить, считая их электромагнитными волнами.
Дискуссия между английскими и немецкими физиками длилась довольно долго, не завершаясь окончательной победой ни одной из сторон.
Сторонники корпускулярной гипотезы не могли дать уверенного и однозначного ответа на вопрос о том, что собой представляют частицы, образующие катодный пучок. Существовали разные точки зрения, хотя большинство склонно было считать катодные лучи ионами.
Позиции волновой теории укрепляются в результате опытов немецкого физика Филиппа Ленарда, который, закрывая металлической фольгой торец катодной трубки, противоположный по отношению к катоду, обнаружил, что катодные лучи выходят из трубки без нарушения вакуума. Значит, это не ионы, ибо выход ионов означал бы нарушение вакуума. Электромагнитные же волны могут проходить через фольгу.
Ленард обнаружил, что часть вышедших наружу лучей не отклоняется магнитом и вызывает фотографическое и люминесцирующее действие. Эти лучи, как выяснилось позднее, представляли собой не что иное, как рентгеновское излучение, возникшее при ударах электронов о фольгу. Но Ленард не понял этого. Когда Рентген позже сделал свое великое открытие, Ленард упорно настаивал на своем приоритете открытия рентгеновских лучей.
Открытие Рентгена явилось важнейшим шагом на пути к обнаружению электрона.
Вильгельм Конрад Рентген (1845 – 1923)
(доклад школьника)
Ученый, получивший первую Нобелевскую премию, не имел школьного аттестата .
Немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген родился 27 марта 1845 года в Леннепе, небольшом городке близ Ремшейда в Пруссии, и был единственным ребенком в семье преуспевающего торговца текстильными товарами.
В 1848 г. семья переехала в голландский город Апельдорн, на родину родителей матери. Вильгельм поступил в Утрехтскую техническую школу в 1862 году. Из школы его исключили. Кто-то нарисовал на доске карикатуру на учителя, и тот посчитал, что это дело рук Рентгена. Не получил он аттестата и при попытке сдать экзамены экстерном – его экзаменатором оказался тот самый учитель. О том, чтобы поступить в высшее учебное заведение, теперь нельзя было и мечтать. Случайно уже двадцатилетний молодой человек узнает о том, что в швейцарском городе Цюрихе открылся новый Политехнический институт, где принимаются вольнослушатели (т.е. аттестат не обязателен). Туда – то он и поступил на машиностроительный факультет в 1865 году, он намеревался стать инженером-механиком. В 1868 г. он получил диплом.
В 1869 г. он защитил докторскую диссертацию в Цюрихском университете. В 1874 г. в Страсбургском университете Рентген начал свою преподавательскую деятельность в качестве лектора по физике.
В 1875 г. Рентген стал профессором физики Сельскохозяйственной академии в Гогенхейме (Германия), а в 1876 г. вернулся в Страсбург, чтобы приступить там к чтению курса теоретической физики.
В 1879 г. Рентген был назначен профессором физики Гессенского университета, в котором он оставался до 1888 г., отказавшись от предложения занять кафедру физики в университетах Иены и Утрехта.
В 1888 г. он возвращается в Вюрцбургский университет в качестве профессора физики и директора Физического института, где продолжает вести экспериментальные исследования широкого круга проблем, в том числе сжимаемости воды и электрических свойств кварца.
В конце ХIХ века всеобщее внимание физиков привлек газовый разряд при малом давлении. При этих условиях в газоразрядной трубке создавались потоки очень быстрых электронов. В то время их называли катодными лучами. Природа этих лучей еще не была с достоверностью установлена. Известно было лишь, что эти лучи берут начало на катодной трубке.
В 1894 г., когда Рентген был избран ректором университета, он приступил к экспериментальным исследованиям электрического разряда в стеклянных вакуумных трубках.
8 ноября 1895 г. пятидесятилетний немецкий профессор физического института г. Вюрцбурга Вильгельм Рентген решил поработать перед тем, как лечь спать. Спустившись из своей квартиры в лабораторию, он занялся исследованием катодных лучей. Около полуночи, почувствовав усталость, он собрался уходить и выключил свет в лаборатории. Окинув взглядом помещение, он заметил, что покрытый платиносинеродистым барием экран почему-то светится. В чем дело?
Оказывается, не выключен источник напряжения, питающий катодную трубку. Но ведь трубка покрыта непрозрачным картонным чехлом, через который никак не могут проникнуть катодные лучи. К тому же экран находился далеко от трубки, а катодные лучи поглощаются воздухом на расстоянии нескольких сантиметров от нее. Значит, свечение вызывается не катодными лучами.
Нечто похожее наблюдали раньше и другие ученые – все знали, что фотопластинки засвечиваются вблизи работающей катодной трубки, хотя до них и не доходят катодные лучи. К этому привыкли и не задумывались о причинах явления. Видимо, надо обладать большой остротой восприятия и пытливостью ума, чтобы увидеть в привычном и обыденном нечто новое.
Он отходил с экраном от трубки – свечение ослабевало и исчезало на расстоянии полутора-двух метров. Через картон излучение проходило. А через другие предметы?
Рентген ставил между трубкой и экраном разные предметы и обнаруживал большую проникающую способность излучения.
В число попавших под руку предметов был листок станиоля. Когда Рентген, взяв его в руки, поднес к трубке, на экране отчетливо вырисовался силуэт костей руки. Можно представить, какое это было впечатляющее зрелище!
А нельзя ли сфотографировать силуэт? Снимок оказался неудачным: пластинка вся засвечена. Значит, не катодные лучи, а это новое излучение – причина порчи фотопластинок.
Лишь к утру Рентген возвратился домой.
Натолкнувшись на неизвестное явление, ученый на протяжении семи недель в полном одиночестве работал в одной из комнат своей лаборатории, изучая свойства новых, как он их называл, Х-лучей. Он велел приносить себе пищу в университет и поставить там кровать, чтобы избежать сколько-нибудь значительных перерывов в работе. Только в конце своего «одиночества» ( по некоторым сведениям,22 декабря) он приоткрыл тайну, продемонстрировав снимок в Х-лучах руки своей жены Берты с обручальным кольцом, показанный народу наряду с другими снимками в сообщении В.Рентгена 28 декабря 1895 г.
Сообщение, которое он направил на имя председателя физико-медицинского общества Вюрцбургского университета, было незамедлительно напечатано и выпущено в свет отдельной брошюрой, скромно названной «О новом роде лучей. Предварительное сообщение». В ней ученый описывает поглощение лучей разными материалами, фотохимическое и люминесцирующее их действие ; указывает на их отличие от катодных лучей, состоящее в том, что они обладают значительно большей проникающей способностью и не отклоняются даже в сильных магнитных полях; показывает, что они возникают в том месте, где катодные лучи взаимодействуют со стеклянной стенкой трубки; указывает на их ионизирующее действие. О природе Х-лучей Рентген высказывался весьма осторожно. Он считал, что это электромагнитные волны, но ему не удалось обнаружить их отражение, преломление и интерференцию (это было сделано позже).
Открытие Рентгена быстро, даже по меркам современных средств обмена информацией, приобрело широкую известность.
В ночь со 2 на 3 января содержание доклада Рентгена об Х-лучах стало известно редактору венской газеты «NeueDeutschePresse», и наутро газета вышла с огромными буквами на первой полосе: « СЕНСАЦИОННОЕ ОТКРЫТИЕ».
А вечером 6 января телеграфом из Лондона на весь мир передавалось: « Даже шум военной тревоги не в силах был бы отвлечь внимание от замечательного триумфа науки, весть о котором докатилась до нас из Вены. Сообщается, что профессор Вюрцбургского университета Роутген (!) открыл свет, который проникает при фотографировании через дерево, мясо и большинство других органических веществ. Профессору удалось сфотографировать металлические гири в закрытой деревянной коробке, а также человеческую руку, причем видны лишь кости, в то время как мясо невидимо».
Рентген прекрасно понимал большое научное и технологическое значение своего открытия, но ему была чужда мысль о его торгашеском использовании. Считая, что результаты, полученные в научной лаборатории, могут и должны использоваться всеми, он решительно отверг предложение Берлинского электрического общества продать за большую сумму право на использование патентов будущих его открытий. Рентген не одобрял шумихи вокруг своего имени и продолжал работать, не допуская никаких отклонений от того метода работы, который считал единственно приемлемым.
Хотя вопросы об авторстве Рентгена были однозначно решены сразу после опубликования им основополагающих статей, его неоднократно обвиняли в плагиате. Особенно это проявилось в годы фашизма в Германии, где известные физики Ф.Ленард и И. Штарк были ярыми нацистами. Штарк в год 90-летия Рентгена опубликовал статью, в которой пытался доказать, что Рентген наблюдал Х-лучи с помощью трубки, сконструированной Ленардом, и что эти лучи, по сути, ленардовы.
Название Х- лучи Рентген применял до самой смерти, другие же ученые присвоили этим лучам имя Рентгена.
Рентген был безупречным исследователем и цельным человеком в науке и жизни. По воспоминаниям, это был очень суровый и замкнутый профессор. Он проводил свои опыты, как правило, в одиночестве. Это не исключало того, что в его лаборатории учились и работали физики, ставшие известными в первой четверти ХХ в.
Рентген был человеком аскетической скромности…В Мюнхене, живя с женой и ее осиротевшей племянницей, Рентген вел скромный, замкнутый образ жизни. Ему был чужд тот дух сенсации и моды, который воцарил сразу вокруг его открытия. Он был требователен и к себе, и к другим, и слава его не прельщала.
Рентген отказывался от орденов, не патентовал своего изобретения и не получал тех баснословных прибылей, которые мог получить в связи с применением своего открытия.
Представители немецкого акционерного общества, спекулируя на национальных интересах, сулили ему златые горы; на это Рентген отвечал: «Мое изобретение принадлежит человечеству. Я немец, и мне не меньше, чем вам дорога честь родины, но прошу уволить. А сейчас извините, мне пора работать».
Ученый отказался от почетной, высокооплачиваемой должности члена академии наук, от кафедры физики в Берлинском университете, от дворянского звания.
В 1899 г., вскоре после закрытия кафедры физики в Лейпцингском университете , Рентген стал профессором физики и директором Физического института при Мюнхенском университете. Находясь в Мюнхене, Рентген узнал о том, что он стал первым Лауреатом Нобелевской премии 1901 года по физике.
Помимо Нобелевской премии Рентген был удостоен медали Румфорда Лондонского королевского общества, золотой медали Барнарда за выдающиеся заслуги перед наукой Колумбийского университета, и состоял почетным членом и членом-корреспондентом научных обществ многих стран.
Рентген ушел в отставку со своих постов в Мюнхене в 1920 г., вскоре после смерти жены.
Когда он, первый лауреат Нобелевской премии, оказался в крайне стесненном материальном положении (в годы первой мировой войны), его друзья из Голландии присылали голодающему ученому в Германию масло и сахар. Но он не мог позволить себе личное благополучие в обстановке бедствия своего народа и посылки направлял для общественного распределения. Только явная угроза голодной смерти заставила его согласиться на дополнительный паек.
Умер он 10 февраля 1923 года от болезни, вызванной лучами, которым он дал жизнь и имя (от рака внутренних органов).
Применение рентгеновских лучей (доклад ученика)
Дальше последовала лавина публикаций: только за один год свыше тысячи статей по новым лучам. Опыты с ними в течение нескольких недель были повторены в физических лабораториях многих стран.
Во всех европейских столицах – Лондоне, Париже, Берлине, Петербурге и т.д. – читались публичные лекции об открытии Рентгена и демонстрировались опыты.
Вклад в исследование рентгеновских лучей в России в первые годы после открытия Рентгена внесли такие русские исследователи П.Н. Лебедев, Б.Б. Голицын, Ю.В. Вульф, А.Ф. Иоффе и др.
Н.Г. Егоров организовал первую в России рентгеновскую лабораторию, а А.С. Попов – первый рентгеновский кабинет в Кронштадтском госпитале. В 1897 г. газеты писали, что студент Военно-медицинской академии Н.В. Вихрев сконструировал прибор, с помощью которого можно было делать одновременно два рентгеновских снимка с двух разных точек. Совмещая оба снимка, исследователь получал объёмное изображение.
С момента открытия стало ясно практическое предназначение Х-лучей, прежде всего медицинское. Уже в 1896 г. их использовали для диагностики, немного позже - для терапии, а еще позже – для лечения раковых заболеваний.
Через 13 дней после сообщения Рентгена, 20 января 1896 г., в Дартмунде врачи с помощью рентгеновских лучей наблюдали перелом руки пациента. Медики получили исключительно ценный инструмент.
По-видимому, первым открытие рентгена в рекламно-коммерческих целях применил Т. Эдисон: в мае 1896 г. он в Нью-Йорке организовал выставку, где желающие могли разглядывать на экране изображение своих конечностей в рентгеновских лучах. Но после того, как его помощник умер от ожогов Х-лучами, Эдисон прекратил все опыты с ними. Однако, несмотря на опасность, работы с новыми лучами, расширяясь и углубляясь, продолжались.
При всем колоссальном интересе к открытому явлению, понадобилось около 10 лет, чтобы в знаниях об Х-лучах добавилось что-то новое: английский физик Ч. Баркла доказал их волновую природу..
Весьма обширны применения рентгеновских лучей в научных исследованиях. По дифракционной картине, даваемой рентгеновскими лучами при прохождении их сквозь кристаллы, удается установить порядок расположения атомов в пространстве – структуру кристаллов (рентгено-структурный анализ).
Кроме того, рентгеновским лучам обязаны такие великие открытия, как структура молекул гемоглобина, содержащих десятки тысяч атомов, ДНК и белков, ответственных за фотосинтез.
Из других применений рентгеновских лучей отметим рентгеновскую дефектоскопию – метод обнаружения раковин в отливках, трещин в рельсах, проверки качества сварных швов и т.д. Рентгеновская дефектоскопия основана на изменении поглощения рентгеновских лучей в изделии при наличии в нем полости или инородных включений.
В настоящее время для получения рентгеновских лучей созданы весьма совершенные устройства, называемые рентгеновскими трубками.
На рисунке изображена рентгеновская трубка.(таблица и модель)
Катодом служит толстая накаливаемая вольфрамовая нить, испускающая поток электронов, которые ускоряются приложенным электрическим напряжением. Катод снабжен колпачком из тантала, фокусирующим электроны. Мишенью служит пластинка из вольфрама или другого тяжелого металла, впрессованная в анод. Ударяясь о поверхность мишени, электроны задерживаются и дают рентгеновские лучи. Напряжение между катодом и анодом достигает несколько десятков тысяч вольт. Для того, чтобы электроны могли беспрепятственно достигать мишени, рентгеновскую трубку откачивают до высокого вакуума. Анод обычно охлаждают водой.
Свойства рентгеновских лучей.
Лучи, открытые Рентгеном,
v действовали на фотопластинку (вызывали почернение);
v вызывали фосфоресценцию (свечение веществ);
v вызывали ионизацию воздуха;
v заметно не отражались и не испытывали преломления.
Сразу же возникло предположение, что рентгеновские лучи – это электромагнитные волны, которые излучаются при резком торможении электронов.
Летящий электрон окружен электрическим и магнитным полями, ибо движущийся электрон представляет собой ток. Остановка электрона означает изменение магнитного поля вокруг него, а изменение магнитного или электрического поля вызывает излучение электромагнитных волн. Эти электромагнитные волны и наблюдаются в виде рентгеновских лучей.Такое представление о Х-лучах имел уже Рентген.
Для установления волновой природы рентгеновских лучей необходимо было произвести опыты по их интерференции или дифракции. Однако осуществление таких опытов оказалось очень трудной задачей.
Немецкий физик Макс фон Лауэ в 1912 г. разработал теорию дифракции Х-лучей на кристаллах, предложив использовать кристаллы в качестве дифракционных решеток. В том же 1912 г. эта теория получила экспериментальное подтверждение в опытах В. Фридриха и П. Книппинга.
Опыт был осуществлен следующим образом. Узкий пучок рентгеновских лучей падал на кристалл. На фотопластинке получалось изображение следа пучка. При отсутствии кристалла изображение на пластинке представляло собой темное пятно – след пучка, пропущенного диафрагмами. Когда же на пути пучка помещался кристалл, то на пластинке получалась сложная картина, представляющая собой результат дифракции рентгеновских лучей на кристаллической решетке. Полученная картина не только дала прямое доказательство волновой природы рентгеновских лучей, но и позволила сделать важные заключения о строении кристалла, которым определяется вид наблюдаемой дифракционной картины.
Исследования дифракционной картины позволило определить длину рентгеновских лучей, она была в среднем равна размерам атома – 10-8 см.
Закрепление изученного материала.
Продолжим вопрос о применении рентгеновских лучей.
Давайте попробуем ответить на следующие вопросы: (По сборнику качественных задач М. Тульчинского.)
1. Для чего врачи – рентгенологи пользуются при работе перчатками, фартуками и очками, в которые введены соли свинца?
( Свинец и соли свинца поглощают рентгеновское излучение).
2. При рентгенодиагностике желудочно-кишечного тракта больному дают «бариевую кашу». Для чего это делается?
(Сернокислая соль бария поглощает рентгеновское излучение и делает видимыми мягкие ткани человека (желудок, кишечник)).
3. Электроны в катодном луче телевизионной трубки, достигнув экрана, внезапно останавливаются. Не возникает ли рентгеновское излучение? Не опасно ли при этом смотреть телевизор?
(Рентгеновское излучение возникает, но оно слабое из-за малой скорости электронов и поглощается стеклом трубки.)
4. Металлическая пластинка под действием рентгеновских лучей зарядилась. Каков знак ее заряда?
(Положительный, т.к. из пластинки под действием рентгеновских лучей вырываются электроны, остается избыток положительного заряда.)
Итак, подведем итоги:
Мы с вами познакомились с новым видом излучения - Рентгеновским излучением, многое узнали о нем, познакомились с жизнью самого Рентгена, с его работами.
Домашнее задание:
Изучить § 64 нашего учебника и закончить заполнение обобщающей таблицы о видах электромагнитных излучений и их свойствах.
Размещено чт, 18/02/2010 - 22:19 пользователем Любовь Александровна Кормильцева.
Современный ,интересный урок по физике ,актуальная тема,урок развивающий ,ищите новые возможности для открытия учениками собственных способностей и талантов.Спасибо!
На: Рентгеновские лучи
Современный ,интересный урок по физике ,актуальная тема,урок развивающий ,ищите новые возможности для открытия учениками собственных способностей и талантов.Спасибо!