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Le graphique montre l’intensité relative des rayons X dans un spectre de rayons X de photons de différentes énergies. Lequel des mécanismes suivants pourrait entraîner la production d’un spectre de rayons X avec cette allure en raison d’un faisceau d’électrons frappant une cible ? (A) Excitation des électrons dans les états de haute énergie dans les atomes cibles. (B) Éjection d’électrons dans les états de faible énergie dans les atomes cibles. (C) Éjection d’électrons dans les états de haute énergie dans les atomes cibles. (D) Décélération des électrons libres. (E) Accélération des électrons libres.
Lorsqu’un électron, représenté par l’un de ces points bleus ici, frappe une cible qui est généralement en métal, il peut produire des rayons X de différentes énergies. Ces énergies dépendent de deux choses. La première est l’énergie initiale du faisceau d’électrons, donnée par l’équation 𝑞𝑉 t, où 𝑞 est la charge d’un électron et 𝑉 t est la différence de potentiel à travers le tube de Coolidge qui produit le faisceau d’électrons.
Bien, maintenant, avant de regarder la deuxième chose qui contrôle les énergies des photons de rayons X, faisons de la place. Quand un électron frappe une cible, il existe deux processus différents pouvant produire des rayons X. Le premier est lorsqu’un électron ralentit quand il frappe la cible, l’énergie que l’électron avait en dehors de la cible, que l’on appellera 𝐸 un, est supérieure à l’énergie qu’il a après son ralentissement à l’intérieur de la cible, que l’on appellera 𝐸 deux. L’énergie que l’électron perd en ralentissant est libérée sous forme de rayons X ou de plusieurs rayons X en fonction du nombre d’étapes nécessaires pour ralentir.
Lorsqu’ils sont produits de cette manière, ces rayons X de photons sont appelés bremsstrahlung ou rayonnement de freinage. Ce freinage se réfère au fait qu’un ralentissement se produit. Et la raison pour laquelle on parle de rayonnement de freinage est qu’il est produit lorsque les électrons ralentissent ou décélèrent.
Le cas contraire, où un électron accélère, ne produit aucun photon et cela n’a pas de sens pour un électron d’accélérer lorsqu’il frappe une cible. Donc, la réponse (E) n’est pas correcte ici.
Mais tandis qu’un électron n’accélère pas à l’intérieur d’une cible, il ne ralentit pas toujours non plus. Lorsque l’électron accélère vers cette cible, il y a une chance qu’il frappe directement un électron déjà présent dans l’un des atomes de la cible, ce qui fait que cet électron déjà présent est entièrement éjecté de l’atome. Cela laisse un espace vide dans cette couche électronique qui est facile à remplir avec un autre électron, ce qui se produira si l’atome a un électron dans une couche d’énergie supérieure.
L’électron de la couche d’énergie supérieure descendra dans l’espace vide de la couche d’énergie inférieure, libérant un photon sous forme de rayons X, dont l’énergie est égale à la différence de niveaux d’énergie que l’électron a traversé. Tout ce processus s’appelle une transition de niveau d’énergie.
Alors, parmi nos réponses, avec à la fois les processus de bremsstrahlung et de transition de niveau d’énergie à l’esprit, on sait qu’aucun des deux processus n’engendre l’excitation des électrons dans les états de haute énergie, seule l’éjection dans la transition de niveau d’énergie, ce qui signifie la réponse (A) est incorrect.
Et quand on regarde la réponse (C), l’éjection d’électrons à des états de haute énergie dans les atomes cibles, si un électron dans un état de haute énergie est éjecté, laissant un espace vide dans ce niveau d’énergie supérieur, alors il est possible qu’il ne soit jamais rempli par un électron de l’atome car il n’y a peut-être pas d’électrons de niveau d’énergie supérieur qui pourraient effectuer une transition vers le bas. On ne peut pas non plus dire qu’un électron de niveau d’énergie inférieur passera vers le haut pour remplir cet espace, car pour ce faire, il doit absorber de l’énergie. Et cela ne produit pas de photon. Un photon sous forme de rayons X est produit uniquement lorsqu’il y a une éjection d’un électron dans un état de faible énergie, ce qui signifie que la réponse (C) est incorrecte.
Cela laisse deux réponses possibles. (B) L’éjection d’électrons dans les états de faible énergie dans les atomes cibles décrit le processus de transition de niveau d’énergie, tandis que (D) décrit le bremsstrahlung. Maintenant, considérons ce graphique et déterminons lequel de ces processus produira une courbe de rayons X comme celle-ci.
Les photons de rayons X produits par les transitions de niveau d’énergie sont d’énergies extrêmement spécifiques car ils correspondent toujours à la différence d’énergie entre les niveaux d’énergie entre lesquels l’électron transite. Sur un spectre de rayons X représentant l’intensité des rayons X par rapport à l’énergie des photons, les photons produits par les transitions de niveau d’énergie apparaîtront comme des pics d’énergie très spécifique avec très peu aux autres endroits.
En revanche, la bremsstrahlung est le freinage ou le ralentissement d’un électron. Et ce ralentissement peut se produire en une seule grande étape ou en plusieurs étapes plus petites, ce qui signifie que les photons produits créeront un spectre de rayons X très large avec une courbe lisse où les énergies moyennes sont plus susceptibles de se produire. Puisque la courbe de ce graphique est lisse et que l’on ne voit pas les pics des transitions de niveau d’énergie, cela signifie que ce spectre est provoqué par bremsstrahlung, qui est la décélération des électrons libres.
Donc, la bonne réponse à « Quel mécanisme produit cette forme de spectre de rayons X lorsqu’un électron frappe une cible ? » est bremsstrahlung, qui est la réponse (D) la décélération des électrons libres.
