Tia X [hay tia Rơnghen] là một dạng của sóng điện từ, đây là một khám phá vĩ đại trong thế kỷ 19. Ngày nay, việc sử dụng tia X trong đời sống hàng ngày, y tế hoặc các ngành công nghiệp đã được ứng dụng rộng rãi. Trong bài học này, Kiến Guru sẽ giúp các em tìm hiểu sâu hơn về bản chất của tia X trong chương trình vật lý phổ thông 12.
I. Tóm tắt lý thuyết vật lý phổ thông 12 - Tia X
Trong chương trình vật lý phổ thông lớp 12, bài Tia X nằm trong chương sóng ánh sáng. Vậy bài học này gồm những lý thuyết căn bản nào?
1. Lịch sử phát hiện tia X
- Năm 1895, nhà bác học Rơnghen đã làm thí nghiệm với ống Catot [còn gọi là ống Rơnghen]. Chùm tia catôt [chùm tia electron có năng lượng lớn] có tồn tại của một bức xạ xa lạ Tia X
- Mỗi chùm tia catot tức là chùm electron có năng lượng lớn đập vào một vật rắn thì vật đó phát ra tia X.
2. Cách tạo ra tia X
Trước kia, người ta dùng ống Rơnghen, sau này người ta dùng ống Coolidge [Cu-lit-giơ] để tạo ra tia X.
a. Ống Rơn-ghen:
- Cấu tạo:
Ống Rơnghen có dạng một bình cầu [chứa khí có áp suất thấp - gọi là khí kém] bên trong có 3 điện cực:
+ Catốt có dạng chỏm cầu với tác dụng làm các electron bật ra tập trung tại tâm của bình cầu.
+ Anot là một điện cực dương ở phía đối diện với catot ở thành bình bên kia.
+ Đối catốt là một điện cực [thường được nối với anot]. Ở bề mặt của đối catốt là một kim loại có nguyên tử lượng lớn, khó nóng chảy.
- Hoạt động:
Khi đặt vào giữa anốt và catốt một hiệu điện thế không đổi [khoảng vài chục kV] thì lúc này electron bứt ra từ catốt được tăng tốc rất mạnh. Khi đập vào đối âm cực, các electron này bị đột ngột hãm lại và phát ra tia X. Người ta gọi tia X là bức xạ hãm.
b. Ống Cu-lít-giơ
- Cấu tạo
Ban đầu, ống Cooligde có dạng một bình hình cầu bên trong là chân không, có 2 điện cực:
+ Catot là chỏm cầu có tác dụng làm tập trung các electron về tâm của bình cầu.
+ Một dây tim để nung nóng catot [ catốt phát ra electron] được cung cấp điện nhờ một nguồn điện riêng.
+ Anot là điện cực dương, bề mặt của anot là một lớp kim loại có nguyên tử lượng lớn, khó nóng chảy. Để giải nhiệt cho anot người ta cho dòng nước chảy luồn bên trong anot nhờ một ống nhỏ.
- Hoạt động
Khi đặt một hiệu điện thế [một chiều hoặc xoay chiều] vào hai cực của ống Coolidge thì electron sẽ được tăng tốc mạnh và đập vào anot, xuyên vào lớp vỏ nguyên tử của chất làm anot, tương tác với các lớp electron ở các lớp trong cùng và phát ra tia X.
Hiệu điện thế ở hai cực của ống Cu-lít-giơ từ vài chục kV đến khoảng 120 kV.
Hiện nay người ta đã chế tạo các loại ống tia X có hình dạng khác nhau nhưng về nguyên tắc thì vẫn giống ống Coolidge ban đầu.
3. Bản chất, tính chất và ứng dụng của tia X
- Bản chất
Tia X là một loại sóng điện từ có bước sóng trong khoảng 10-11m đến 10-8m.
- Tính chất
+ Khả năng đâm xuyên mạnh
+ Có tác dụng lên kính ảnh [ làm đen kính ảnh khi chụp X quang]
+ Làm phát quang một số chất
+ Tia X làm ion hóa không khí
+ Tác dụng sinh lý và hủy diệt tế bào
- Ứng dụng
+ Sử dụng trong y học khi chuẩn đoán và chữa bệnh
+ Sử dụng trong công nghiệp để tìm ra những khuyết tật trong các vật đúc kim loại hoặc trong các tinh thể
+ Sử dụng trong giao thông khi kiểm tra hành lý của khách đi máy bay
+ Sử dụng trong phòng thí nghiệm khi nghiên cứu thành phần và cấu trúc của vật rắn.
4. Thang sóng điện từ
Sóng vô tuyến, tia hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy, tia tử ngoại, tia X, tia gamma đều có cùng bản chất là sóng điện từ, chúng chỉ khác nhau về tần số hay bước sóng. Các sóng này tạo nên một phổ liên tục gọi là thang sóng điện từ:
- Thực ra, ranh giới giữa các vùng trong thang sóng điện từ không rõ rệt.
II. Bài tập áp dụng vật lý phổ thông 12 - Tia X
Một số bài tập minh họa về bài Tia X của vật lý phổ thông 12.
1. Khi nói về tia Rơnghen, tia tử ngoại thì phát biểu nào sai?
A. Tia Rơnghen và tia tử ngoại có cùng bản chất là sóng điện từ
B. Tần số tia Rơnghen nhỏ hơn tần số tia tử ngoại
C. Tần số tia Rơnghen lớn hơn tần số tia tử ngoại
D. Tia Rơnghen và tia tử ngoại đều có khả năng gây phát quang ở một số chất.
Đáp số: Bước sóng của tia Rơnghen nhỏ hơn bước sóng tia tử ngoại nên tần số tia Rơnghen lớn hơn tần số tia tử ngoại.
Chọn đáp án: C
2. Chọn đáp án đúng. Tia X có:
A. Cùng bản chất với sóng âm
B. Bước sóng lớn hơn bước sóng hồng ngoại
C. Cùng bản chất với sóng vô tuyến
D. Điện tích âm
Đáp án: Tia X có cùng bản chất với sóng vô tuyến là đều là sóng điện từ.
Chọn đáp án: C
3. Một ống Cu-lít-giơ có công suất trung bình 400W, điện áp hiệu dụng giữa hai đầu catot và anot là 10kV. Hãy tính cường độ dòng điện hiệu dụng qua ống.
Đáp án: Cường độ dòng điện hiệu dụng qua ống: I=PU=400100000=0,04 [A]
Kiến Guru đã tổng hợp lý thuyết và một số bài tập ứng dụng của vật lý phổ thông 12 - Tia X. Hy vọng tài liệu này là một nguồn tham khảo bổ ích cho các em. Chúc các em học tập tốt.
17/09/2016 04:31 CH | 79822
I. Thí nghiệm kiểm chứng sự tồn tại của tia hồng ngoại và tia tử ngoại
Dùng máy quang phổ lăng kính để thu ảnh quang phổ của một nguồn sáng có nhiệt độ rất cao [như hồ quang điện hay ánh sáng Mặt Trởi chẳng hạn] ta thấy trên màn ảnh của máy quang phổ có một dải màu liên tục từ đỏ đến tím. Ở ngoài vùng đỏ và ngoài vùng tím là vùng tối đen.
Dùng một cặp nhiệt điện rất nhạy có một mối hàn [gọi là đầu dò D] đặt vào một lỗ nhỏ [có thể di chuyển theo phương thẳng đứng] trên màn F của buồng tối, mối hàn kia của cặp nhiệt điện được nhúng vào nước đá [hoặc đặt ở nơi có nhiệt độ thấp xác định nào đó].
Di chuyển đầu dò D suốt vùng từ đỏ đến tím ta thấy kim điện kế G luôn bị lệch.[dù có thay đổi ít nhiều]. Điều này chứng tỏ "Ánh sáng có tác dụng nhiệt".
Nếu đưa đầu dò D của một cặp nhiệt điện vào vùng tối đen ở phía trên vùng đỏ ta cũng thấy kim điện kế G bị lệch [thậm chí nhiều hơn khi còn ở vùng đỏ], chứng tỏ trong vùng này cũng có một loại "ánh sáng" nào đó mà mắt ta không nhìn thấy được. Ta gọi các bức xạ trong vùng này là các bức xạ hồng ngoại [IR: Infra Red]
Nếu dùng một lớp bột huỳnh quang phủ kín vùng tối ở phía dưới vùng tím thi ta thấy vùng này phát sáng. Điều này chứng tỏ ở ngoài vùng tím có một loại bức xạ không nhìn thấy được nhưng có khả năng làm phát quang. Ta gọi các bức xạ trong vùng này là các bức xạ tử ngoại [UV: Ultra Violet]
Video mô tả về lịch sử phát hiện tia hồng ngoại và tia tử ngoại
II. Tia hồng ngoại
1. Định nghĩa: Tia hồng ngoại là các bức xạ điện từ mà mắt ta không nhìn thấy được [còn gọi là các bức xạ ngoài vùng khả kiến] có bước sóng từ 0,76
2. Nguồn phát:
- Mặt Trời là một nguồn phát tia hồng ngoại mạnh.
- Nói chung, các vật có nhiệt độ lớn hơn 0 độ K đều có phát ra tia hông ngoại.
- Đèn dây tóc, bếp gas, lò sưởi là những nguồn phát ra tia hồng ngoại khá mạnh.
- Cơ thể con người có nhiệt độ bình thường là 37oC nên là một nguồn phát ra tia hồng ngoại với bước sóng khoảng 9 .
Mắt người không nhìn thấy được tia hồng ngoại, vì thế để có thể xem các vật phát ra tia hồng ngoại như thế nào người ta phải dùng đến kính ảnh [hay phim ảnh] hồng ngoại hoặc các cảm biến hồng ngoại.
Tùy theo chế độ "phiên dịch" mà các bức ảnh hồng ngoại sẽ là ảnh đen trắng hoặc ảnh màu.
- Với ảnh hồng ngoại có chế độ "phiên dịch" đen trắng ta sẽ có ảnh như sau:
Hãy so sánh với ảnh thông thường của cảnh này:
Chú ý rằng thời điểm chụp hai bức ảnh này khác nhau: một ảnh chụp vào ban đêm và một ảnh chụp vào ban ngày nên có một số chi tiết khác nhau [ảnh mây trên bầu trởi chẳng hạn].
- Với ảnh có chế độ "phiên dịch" màu ta sẽ có ảnh như sau:
Trong ảnh: Cột bên phải mô tả trình biên dịch màu. Ta thấy những chi tiết có màu vàng tươi ứng với nhiệt độ khoảng 93 oF tức là khoảng 33,9 oC.
Hình dưới đây là ảnh chụp chòm sao Orion [Tráng sĩ] bằng máy ảnh thông thường và bằng máy ảnh hồng ngoại [hình ảnh hồng ngoại đã được "phiên dịch" màu].
- Có tác dụng nhiệt mạnh.
- Có tác dụng lên phim ảnh.
- Có thể gây ra các phản ứng hóa học [Ví dụ như tạo ra phản ứng hóa học trên phim hồng ngoại]
- Có thể biến điệu như sóng điện từ cao tần.
4. Ứng dụng
- Dùng để sấy, sưởi.
- Dùng để chụp ảnh hay quay phim ban đêm.
- Dùng để truyền tín hiệu điều khiển trong các bộ điều khiển từ xa [remote].
Video của NASA về tia hồng ngoại
Video minh họa về tia hồng ngoại của Giáo Sư Toby Alt giảng dạy tại Đại học Cornell [Mỹ]
Quay phim bằng tia hồng ngoại
Thí nghiệm với tia hồng ngoại [AAPT film]
III. Tia tử ngoại
1. Định nghĩa: Tia tử ngoại là các bức xạ điện từ mà mắt ta không nhìn thấy được [còn gọi là các bức xạ ngoài vùng khả kiến] có bước sóng từ vài nanômét đến 0,38
2. Nguồn phát:
- Mặt Trời là một nguồn phát ra tia tử ngoại mạnh.
- Hồ quang điện, đèn hơi thủy ngân là các nguồn phát ra tia tử ngoại khá mạnh.
- Nói chung những vật có nhiệt độ trên 2000 oC đều có phát ra tia tử ngoại [ngoài việc có phát ra tia hồng ngoại và ánh sáng thấy được].
Chú ý:
Khi một vật phát ra được tia tử ngoại thì nó đồng thời cũng phát ra tia hồng ngoại và ánh sáng thấy được.
3. Đặc điểm
- Bị nước và thủy tinh hấp thụ rất mạnh nhưng lại hầu như trong suốt đối với thạch anh.
- Có tác dụng lên phim ảnh.
- Có thể gây ra các phản ứng hóa học.
- Kích thích phát quang một số chất.
- Làm ion hóa không khí.
- Có tác dụng sinh học, hủy diệt tế bào.
- Nhờ tác dụng phát quang người ta dùng tia tử ngoại làm máy soi tiền.
Thí nghiệm với tia tử ngoại [AAPT films]
Trong biểu diễn nghệ thuật: Người ta sơn lên vật thể các lớp bột phát quang khác nhau, chúng sẽ phát sáng các màu khác nhau khi được chiếu bằng tia tử ngoại.
Đoạn video sau đây minh họa cho ý trên trích trong show diễn ở America's Got Talent 2017
Khi đèn sân khấu thông thường bị tắt đi và đèn tử ngoại được chiếu vào thì cơ thể của diễn viên trở thành một .. vật thể kỳ lạ, nhiều màu sắc.
4. Ứng dụng
- Dùng để dò tìm vết sướt trên bề mặt sản phẩm.
- Dùng để điều trị chứng bệnh còi xương ở trẻ em.
- Dùng để tiệt trùng cho thực phẩm.
- Dùng làm nguồn sáng cho các máy soi tiền giả.
Bài trước Lên đầu trang Bài kế tiếp Trở về Trang chủ