فيديو السؤال: مقارنة فرق جهد التسارع لأنبوب كولدج بالخطوط الطيفية المميزة المتولدة منه الفيزياء • الصف الثالث الثانوي

نسخة الفيديو النصية

يوضح الخط المتصل على التمثيل البياني الشدة النسبية للأشعة السينية في طيف الأشعة السينية لمختلف طاقات فوتون الأشعة السينية الناتجة عن اصطدام حزمة من الإلكترونات بمادة الهدف. يوضح الخط المنقط على التمثيل البياني أشعة الانكباح التي ستنتج عن اصطدام حزمة الإلكترونات بنفس مادة الهدف، لكن عند تسارعها خلال فرق جهد أقل. أي مما يلي يوضح الخطوط المميزة التي يمكن ملاحظتها عند استخدام حزمة الإلكترونات ذات الجهد الأقل؟

قبل أن ننظر إلى التمثيلات البيانية التي توضح هذه الخطوط المميزة، دعونا نفرغ بعض المساحة. ما نبحث عنه هو الخطوط المميزة أو القمم الحادة التي تظهر في طيف الأشعة السينية المشابه لهذا، في الحالة التي تتسارع فيها الإلكترونات في حزمة الإلكترونات من خلال فرق جهد أقل. هذا يعني أن شدته ليست أقل فحسب، بل طاقته القصوى أيضًا أقل من المعتاد.

ومع ذلك، لا تنتج الخطوط المميزة بالطريقة نفسها التي ينتج بها هذان المنحنيان الأملسان، أي الانكباح. بدلًا من ذلك، تنتج عما يسمى بالانتقال بين مستويات الطاقة. كما أنها توجد عند طاقات أشعة سينية محددة للغاية، بغض النظر عن منحنى الانكباح. بوضع ذلك في الاعتبار، دعونا نبدأ بالنظر إلى بعض التمثيلات البيانية التي توضح هذه الخطوط المميزة.

يوضح الطيف (أ) خطين مميزين يبدوان في نفس الموضع النسبي الموجود على الخط الذي يمثل فرق الجهد الأكبر. ولكن، دائمًا ما تظهر الخطوط المميزة عند طاقات فوتون أشعة سينية معينة مستقلة عن منحنى الانكباح. ولن تنقل إلى الجانب الأيسر بهذا الشكل إذا كانت طاقة المنحنى بالكامل أقل. بدلًا من ذلك، ستكون في الموضع نفسه بهذا الشكل. إذن، لا يمكن أن يكون الطيف (أ) الإجابة الصحيحة.

بالنظر الآن إلى الطيف (ب)، نرى أن به نفس مشكلة الطيف (أ)؛ بسبب انتقال الخطين المميزين إلى الجانب الأيسر، مع أنهما يجب أن يكونا تقريبًا في نفس الموضع على الخط الذي يمثل فرق الجهد الأكبر. إذن، فخيار الإجابة (ب) ليس صحيحًا كذلك.

يظهر الطيف (ج) الخطين المميزين لهما طاقة وشدة تساوي الخطين الموجودين على الخط الذي يمثل فرق الجهد الأكبر. يعد موضعا هذين الخطين المميزين بالنسبة إلى الطاقة صحيحين، ولكن شدتهما غير صحيحة. عندما ننظر إلى شدة الأشعة السينية، فإننا ننظر إلى إجمالي عدد الأشعة السينية عند طاقة معينة. وتنتج هذه الأشعة السينية من الانكباح، وتكون المنحنى الأملس، وتنتج أيضًا من الانتقالات بين مستويات طاقة الإلكترونات، وتكون خطوطًا مميزة. وهذه الأشعة معًا تكون الطيف الكامل للأشعة السينية، وتجمع قيم شدتها معًا.

والخطوط المميزة وحدها قد تبدو بهذا الشكل، وتكون شدتها في الواقع صغيرة. ولكن تضاف هذه القمم إلى شدة أشعة الانكباح كلها، ما يجعلها تظهر في الجزء العلوي. ليس للخطوط المميزة شدة ثابتة معينة، وإنما يمكن أن توجد فقط عند مدى معين من الطاقات. وتعتمد كذلك على انكباح الإشعاع.

لذا عندما ننظر إلى الطيف (ج)، نجد أن الخطين المميزين لهما شدة كبيرة؛ حيث يعتمدان على انكباح الخط الذي يمثل فرق الجهد الأقل، ما يعني أن القمتين يجب أن تكونا عند مستوى أقل ولكن تظلان متميزتين. إذن، لا يمكن أن يكون الطيف (ج) الإجابة الصحيحة.

بالنظر الآن إلى الخطين المميزين في الطيف (د)، نجد أن الخطين المميزين يقعان في الموضعين الصحيحين بالنسبة إلى الطاقة. ويبدو أن لهما شدة مناسبة أيضًا. وقد تغير موضعهما بفعل الفرق في الانكباح بين خطي فرق الجهد الأكبر والأقل. ولكن، يبدو أن للخطوط المميزة كلها نفس الشدة، رغم اختلاف فرق الجهد بين الطيفين. ولا يجب أن يكون الأمر كذلك. ولمعرفة السبب، فلنسترجع ما نعرفه عن الانتقالات بين مستويات الطاقة.

لكي يحدث انتقال بين مستويات الطاقة، يجب أن يصطدم إلكترون من حزمة الإلكترونات مع إلكترون من مستوى طاقة منخفض ويحرره؛ مما ينتج عنه انتقال إلكترون في مستوى طاقة أعلى إلى أسفل لملء الفراغ؛ مما يولد فوتون أشعة سينية عند انتقاله. ولكن لكي يحدث هذا كله، يجب أن تكون للإلكترون الساقط الابتدائي من حزمة الإلكترونات طاقة كافية لكي يحرر بالفعل إلكترونًا من مستوى الطاقة المنخفض في الذرة. إذا لم تكن للإلكترون الصادر من حزمة الإلكترونات طاقة كافية، فسوف يتنافر بعيدًا عن الذرة.

طاقة الإلكترونات الموجودة في الحزمة تساوي حاصل ضرب ‪𝑞‬‏، وهو شحنة الإلكترون، و‪𝑉t‬‏، وهو فرق الجهد عبر الأنبوب. إذن، فرق الجهد الأقل يعني أن الإلكترونات الموجودة في حزمة الإلكترونات ستكون ذات طاقة أقل، وبذلك تكون فرصتها أقل في تحرير أي من الإلكترونات الموجودة في الذرة. ستظل بعض الإلكترونات قابلة للتحرر، لكن عددها أقل.

ومن ثم، نظرًا لأن فرق جهد الطيف ذي الخط المتقطع أقل، سيقل عدد الإلكترونات المتحررة من مستويات الطاقة المنخفضة كلما تنافر عدد أكبر من الإلكترونات الساقطة من الحزمة، ما يعني أن عدد الانتقالات بين مستويات الطاقة سيقل. وبما أن الخطوط المميزة تنتج من الانتقالات بين مستويات الطاقة، فستكون الخطوط المميزة أقل شدة. الخطوط المميزة في الطيف (د) لها الشدة نفسها تقريبًا؛ لذا نعرف أنه لا يمكن أن يكون الإجابة الصحيحة.

أما الخطان المميزان في الطيف (هـ) فهما أقل شدة على نحو مناسب، بالنظر إلى فرق الجهد الأقل. مما يعني أنه من بين جميع هذه الأطياف، الطيف الذي يوضح الخطوط المميزة التي يمكن ملاحظتها عند استخدام حزمة الإلكترونات ذات الجهد الأقل هو الطيف (هـ).