نسخة الفيديو النصية
أي من الآتي يجب أن يتغير عند تغير تيار حزمة الإلكترونات في أنبوب كولدج؟ (أ) الطاقة القصوى لفوتونات الأشعة السينية الناتجة. (ب) متوسط طاقة فوتونات الأشعة السينية الناتجة. (ج) سرعة فوتونات الأشعة السينية الناتجة. (د) وجود الخطوط المميزة في طيف الأشعة السينية الناتجة. (هـ) معدل إنتاج فوتونات الأشعة السينية.
لنتذكر تركيب أنبوب كولدج النموذجي وكيف ينتج حزمة الإلكترونات. يتكون من ملف المهبط ذي الشحنة السالبة والهدف، وهو المصعد ذو الشحنة الموجبة، ويوجد كلاهما داخل أنبوب مفرغ من الهواء تقريبًا. يوجد فرق جهد، يسمى فرق جهد التسارع، وهو ما يجعل ملف المهبط والهدف، وهو المصعد، مشحونين بشحنة سالبة وشحنة موجبة على الترتيب. يتسبب فرق الجهد عبر ملف المهبط والهدف، وهو المصعد، في تسارع الإلكترونات من الملف إلى الهدف، وهو المصعد؛ حيث تتناسب طاقة حركة هذه الإلكترونات، أو ما يرمز لها بـ KE، طرديًّا مع فرق جهد التسارع لأنبوب كولدج. لكن فرق جهد التسارع لا يتناسب طرديًّا مع تيار حزمة الإلكترونات.
لتغيير تيار الحزمة، علينا تغيير فرق جهد آخر هنا، وهو فرق الجهد المسئول عن تسخين ملف المهبط، الذي يتسبب في هروب الإلكترونات منه في عملية تسمى الانبعاث بالتأين الحراري. ويسمى فرق الجهد هنا بفرق جهد التأين الحراري نسبة لاسم هذه العملية. يسمح فرق جهد التأين الحراري بتكون حزمة الإلكترونات. فإذا قمنا بزيادة فرق جهد التأين الحراري، فستزيد درجة حرارة ملف المهبط أيضًا، وهو ما يسمح له بإطلاق المزيد من الإلكترونات، ومن ثم زيادة تيار حزمة الإلكترونات. إذن، يتناسب فرق جهد التأين الحراري طرديًّا مع تيار الحزمة.
باختصار، فرق جهد التسارع هو المسئول عن طاقة حركة الإلكترونات في الحزمة، التي ترتبط بمربع سرعة الإلكترونات. وفرق جهد التأين الحراري هو المسئول عن تيار الحزمة أو عدد الإلكترونات في حزمة الإلكترونات. هيا نضع علاقتي التناسب هاتين في الاعتبار، ثم ننظر إلى الإجابات التي تتعلق بفوتونات الأشعة السينية. لدينا هنا طيف أشعة سينية نموذجي للاستعانة به؛ حيث يوضح طاقة فوتونات الأشعة السينية وشدة الأشعة السينية.
إذا تغير تيار حزمة الإلكترونات، تخبرنا الإجابة (أ) أن الطاقة القصوى لفوتونات الأشعة السينية الناتجة ستتغير أيضًا. في أنبوب كولدج، الطاقة القصوى لفوتونات الأشعة السينية التي يمكن إنتاجها تساوي طاقة الحركة القصوى للإلكترونات في الحزمة، أو حاصل ضرب 𝑞، أي شحنة الإلكترون، و𝑉t، أي فرق الجهد عبر أنبوب كولدج، وهو في هذه الحالة فرق جهد التسارع. إذن، يمكننا ملاحظة أن الطاقة القصوى لفوتونات الأشعة السينية التي يمكن إنتاجها تتناسب طرديًّا مع فرق جهد التسارع، وليس مع فرق جهد التأين الحراري الذي يرتبط بتيار الحزمة. وعليه، فإن تغيير تيار الحزمة لن يغير بأي حال من الأحوال طاقة فوتونات الأشعة السينية التي يمكن إنتاجها داخل هذا الأنبوب. إذن، الإجابة (أ) لا يمكن أن تكون الإجابة الصحيحة.
وبالمثل، تشير الإجابة (ب) إلى متوسط طاقة فوتونات الأشعة السينية الناتجة. وقد أوضحنا سابقًا أن طاقة فوتونات الأشعة السينية هذه لا تتناسب طرديًّا مع تيار الحزمة. إذن، الإجابة (ب) ليست الإجابة الصحيحة أيضًا. تشير الإجابة (ج) إلى سرعة فوتونات الأشعة السينية الناتجة. يصح القول بأن السرعة، ومن ثم طاقة حركة الإلكترونات في الحزمة، تتناسب طرديًّا مع فرق جهد التسارع، وهو ما يعني أنها مرتبطة بالطاقة. لكننا هنا نشير إلى سرعة فوتونات الأشعة السينية، وليس الإلكترونات. والفوتونات لها سرعة واحدة فقط، وهي سرعة الضوء، التي لا تعتمد على تيار الحزمة أو طاقة حركة الإلكترونات. إذن، الإجابة (ج) ليست الإجابة الصحيحة.
تشير الإجابة (د) إلى وجود الخطوط المميزة أو هذه القمم في طيف الأشعة السينية الناتجة. يعتمد ظهور هذه القمم من عدمه في طيف الأشعة السينية على الطاقة القصوى لطيف الأشعة السينية. فإذا كانت الطاقة القصوى لفوتون الأشعة السينية أقل من النقطة التي تظهر عندها القمم عادة، فلن تظهر هذه القمم على الإطلاق. وسيظهر فقط منحنى أشعة الانكباح الانسيابي. إذن، بما أن وجود الخطوط المميزة في طيف الأشعة السينية يعتمد على الطاقة القصوى لفوتون الأشعة السينية، فإن الخطوط المميزة لا ترتبط بتيار الحزمة، وذلك لأنها لا ترتبط بالطاقة.
يتبقى لدينا إذن الخيار الأخير (هـ). ويشير إلى أن معدل إنتاج فوتونات الأشعة السينية يجب أن يعتمد على تيار الحزمة. لمعرفة سبب ذلك، دعونا نسترجع تركيب أنبوب كولدج وكيف يعمل فرق جهد التأين الحراري الأعلى على زيادة تيار الحزمة أو عدد الإلكترونات الناتجة. عند وجود عدد كبير من الإلكترونات في حزمة الإلكترونات، سيصطدم عدد كبير منها بالهدف، وهو المصعد، وهو ما يعني إنتاج المزيد من فوتونات الأشعة السينية، الأمر الذي يسبب زيادة شدة الأشعة السينية عبر الطيف بأكمله على الرغم من أن الطاقة القصوى لا تزال نفسها. نلاحظ أن هذا لا يغير متوسط طاقة فوتونات الأشعة السينية الناتجة، كما رأينا في الخيار (ب)؛ وذلك لأننا لا ننظر إلى متوسط شدة فوتونات الأشعة السينية. نحن ننظر إلى متوسط طاقة الأشعة السينية، الذي يظل كما هو.
وبناء عليه، عند تغير تيار حزمة الإلكترونات في أنبوب كولدج، فإن معدل إنتاج فوتونات الأشعة السينية يتغير أيضًا. ومن ثم، فإن الإجابة الصحيحة هي الخيار (هـ).
