101 ключевая идея: Физика - Страница 16

Суммарным дозовым эквивалентомвоздействия различных типов излучения называется сумма дозовых эквивалентов каждого типа излучения.

Нижнего предела биологического вреда от ионизирующего излучения не существует; максимум допустимого воздействия ионизирующего излучения определяется на основе признанного риска. В Великобритании установлено максимально допустимое воздействие, равное 15 Св в год, для профессий, связанных с ионизирующим излучением, и 0,5 Св в год выше естественной нормы для остального населения. Эти предельные показатели рассчитаны на основе трех смертельных случаев заболевания раком на один миллисиверт на 100 000 выживших при атомной бомбардировке Хиросимы и Нагасаки. Так, годовой предел в 0,5 мСв соответствует 750 смертям в год на население в 50 миллионов человек.

См. также статьи «Ионизация», «Радиоактивность 1, 2 и 3», «Рентгеновские лучи».

Разностью потенциалов называется количество потенциальной энергии, приобретаемой или теряемой единичным точечным положительным зарядом при прохождении от одной точки к другой. В повседневной речи разность потенциалов называют «напряжение». Потенциальная энергия заряда часто называется электрической энергией. Разность потенциалов:

где Е — получаемая энергия, Q — величина заряда.

Единицей разности потенциалов служит вольт (В), равный разности потенциалов между двумя точками, если при перемещении заряда в один кулон между этими точками выделяется или потребляется один джоуль электрической энергии.

Электродвижущая сила (ЭДС) источника электрической энергии равна количеству электрической энергии, приобретаемой единичным точечным зарядом, проходящим через источник. В электрической цепи поток заряда по ней переносит энергию от источников ЭДС к компонентам цепи.

Перепадом разности потенциалов в компоненте называется потеря электрической энергии единичным зарядом, проходящим через компонент. Перепад разности потенциалов на концах компонента цепи можно сравнить с перепадом давления между выпускной и впускной трубами батареи центрального отопления. Разность давлений необходима, чтобы по батарее шел поток воды.

Электрическая мощность определяется как количество электрической энергии, переносимой в секунду по участку электрической цепи. Единицей мощности служит ватт (Вт). Один ватт равен переносу одного джоуля в секунду; 1 киловатт = 1000 ватт.

Так как сила тока — это количество заряда, переносимого в секунду по компоненту цепи или устройства, а разность потенциалов — количество электрической энергии, передаваемой единичным зарядом компоненту или устройству, то: сила тока разность потенциалов = заряд/время электрическая энергия/заряд = электрическая энергия/время = мощность. В бытовой сети цена за электроэнергию измеряется в киловатт-часах (кВт•ч); 1 кВт•ч равен 1 кВт электрической энергии, потребляемому за час.

См. также статью «Заряд и ток».

Явление резонанса происходит, когда к колебательной системе прикладывается периодически изменяемая сила и амплитуда колебаний системы возрастает в большой степени. В любой системе, совершающей свободные колебания, за каждый полупериод кинетическая энергия превращается в потенциальную и обратно. При условии действия силы трения и отсутствия периодической силы колебания системы постепенно уменьшаются и ее энергия передается окружению с помощью трения. Говорят, что в таком случае колебания «затухают» от действия силы трения. В системе, испытывающей легкое затухание, происходит резонанс, если частота внешней периодически действующей силы равна частоте колебаний системы. При резонансе энергия, передаваемая системе периодической силой, равна энергии, теряемой в результате действия силы трения.

Простым примером служит ребенок на качелях, которые периодически толкают.

Если частота толчков равна естественной частоте колебаний f ₀, то их амплитуда становится очень большой, ограничиваемой только силами трения. Частота, при которой амплитуда наиболее увеличивается, называется частотой настройки. Для системы с небольшим затуханием она равна f ₀. Примеры резонирующих систем:

• механический резонанс, когда панель стиральной машины громко вибрирует при определенной скорости мотора;

• акустический резонанс, когда струя воздуха, направляемая с определенной силой под углом к горлышку бутылки заставляет столб воздуха внутри ее колебаться, издавая звук;

• электрический резонанс, когда по радио ловят определенную станцию настройкой шкалы на ее частоту так, что радиоволны этой частоты вызывают достаточно большую разность потенциалов с этой частотой в цепи настройки.

См. также статьи «Волновое движение 2», «Простое гармоническое колебание».

Рентгеновские лучи — это электромагнитные волны с длиной волны около 1 нм и менее, испускаемые при торможении быстрых электронов или изменении их направления в веществе либо при переходе электронов с внешних оболочек атома на внутренние в тяжелых атомах. Рентгеновские лучи были открыты в 1895 году Вильгельмом Рентгеном, наблюдавшим свечение флуоресцентного экрана при пропускании под высоким напряжением тока через вакуумную стеклянную трубку, называемую впоследствии рентгеновской. В ней в процессе термоэлектронной эмиссии электроны испускаются с горячей нити накала и притягиваются к металлическому аноду, имеющему высокий положительный потенциал по отношению к нити накала. При столкновении электроны останавливаются и теряют кинетическую энергию, испуская фотоны рентгеновского излучения.

Рентгеновские лучи содержат непрерывный спектр длин волн выше определенного минимального значения. Интенсивность распределения разных длин волн представляет собой непрерывную кривую начиная с минимальной длины волны с пиками интенсивности, накладываемыми на длины волн, характерными для цели. Цель в рентгеновской трубке обычно представляет собой вольфрам, имеющий высокую температуру плавления, а основная часть энергии рентгеновской трубки превращается в тепло.

Вольфрамовая цель может быть помещена между пластинами меди, обладающей большей теплопроводностью, чем вольфрам.

Минимальная длина волны λ _минсоответствует кинетической энергии отдельного электрона, образующего один фотон. Количество полученной кинетической энергии равно проделанной работе eV анода с потенциалом V так что энергия фотона hс λ _мин= eV (где с — скорость света), что дает λ _мин= hc/eV. Проникающая способность рентгеновского излучения в данном материале зависит от максимальной энергии фотона в луче, пропорциональной напряжению анода.

Пики интенсивности возникают, когда электроны луча сталкиваются с атомами цели и выталкивают электроны атомов с внутренних орбит. При заполнении внутренних вакансий электронами с внешних орбит атомов, испускаются фотоны с рентгеновской длиной волны.

См. также статьи «Фотон», «Электромагнитные волны».

В медицине рентгеновское излучение используют для получения четкого снимка костей и внутренних органов. Пациент располагается на пути прохождения рентгеновского луча, т. е. между рентгеновской трубкой и пленкой в светонепроницаемой оболочке. Внутренние органы с большой плотностью и кости поглощают рентгеновское излучение, и, следовательно, на пленке возникает их изображение. Можно получить снимки и органов с меньшей плотностью, если заполнить их контрастным веществом, поглощающим рентгеновское излучение, например химическими соединениями бария.

Рентгеновские лучи должны быть хорошо сфокусированными и поступать из точечного источника, иначе изображение получится размытым. Поверхность анода разворачивается под углом 70° к направлению потока электронов, так что эффективная зона, из которой исходят лучи, сводится к минимуму по отношению к площади падения электронов.