Harvard Natural Sciences Lecture Demonstrations

When the electrons in a cathode ray tube collide with the glass, they desacelerate rapidly. A radiação emitida pelos elétrons é chamada de Bremsstrahlung ou radiação de travagem.Em 1895, Wilhelm Röntgen descobriu que um feixe de raios catódicos poderia criar um novo tipo de radiação (raios-x) quando permitido para interferir em um obstáculo como o vidro do próprio tubo. A presente demonstração recria essa descoberta. Um CRT cruzado maltês é a fonte de raios catódicos, bem como alvo; um contador Geiger-Mueller moderno detecta os raios-X.Quando elétrons rápidos interagem com a matéria, eles podem perder energia por interações de Coulomb, bem como processos radiativos. A energia é perdida principalmente através de colisões repetidas com elétrons atômicos (interações de coulomb), causando excitações e ionizações. Interações elétron-nucleares, que podem mudar abruptamente a direção dos elétrons, às vezes podem ocorrer. Classicamente falando, a forte aceleração do elétron como ele é desviado de seu caminho de linha reta dá origem a radiação, e parte da energia do elétron é perdida devido a esta radiação eletromagnética. A fração da energia eletrônica convertida em Bremsstrahlung aumenta com o aumento da energia eletrônica e é maior para absorver materiais de elevado número atômico. O espectro de energia de Bremsstrahlung é um continuum com energias de fótons estendendo-se tão alto quanto a energia inicial de elétrons, mas fótons de baixa energia predominam em número por ordens de magnitude e a energia média é uma pequena fração da energia incidente.

nesta experiência, uma CRT cruzada maltesa é energizada por uma bobina de indução cuja saída é de cerca de 40 kV. A Cruz de Malta deve ser inclinada para baixo de modo a não obstruir os raios catódicos—desejamos que os electrões atinjam o vidro CRT. Se as luzes da sala de aula forem desligadas um pouco, o vidro será visto para fluorescer uma bela e assustadora cor verde.

raio-x

um tubo Geiger-Mueller (G-M) 1 é mantido até à face do CRT para detectar os raios-x que estão a ser emitidos. Pode-se demonstrar que estes são de baixa energia ou raios-x “macios”, interpondo algum vidro adicional como um absorvedor. O vidro de um prato de panificação Pyrex é suficientemente grosso para parar eficazmente todos os raios-X. 2

configurando-o

toda a configuração ocupa muito pouco espaço e pode sentar-se no banco de leitura ou estar em um carrinho separado. Use uma bateria de 6 volts Gel para alimentar o primário da bobina de indução-seu é importante porque o interrupter no circuito primário da bobina de indução produz um back-emf considerável que pode destruir os componentes semicondutores de uma fonte de alimentação DC (nós aprendemos isso da maneira difícil). A bobina de indução não deve funcionar continuamente durante mais de 10 minutos de cada vez (sobreaquecimento).

o nível de radiação é de aproximadamente 4 mR a uma distância de 1 metro e, portanto, bastante seguro para o público e instrutor. 3 para minimizar a exposição, Manter afastado pelo menos um braço de comprimento; a demonstração deve demorar menos de um minuto.

medimos o espectro de energia da radiação emanante e, como esperado, a intensidade de Bremsstrahlung cai rapidamente com o aumento da energia. Os raios-x característicos do vidro dominam por uma ordem de magnitude em número sobre a Bremsstrahlung. Os raios-x da NaK a 1 keV são os mais proeminentes. Abaixo desta energia o fundo Bremsstrahlung sobe exponencialmente.4 um ponto interessante para sensibilizar o público é que a radiação eletromagnética visível (luz) não é atenuada pelo vidro espesso, enquanto o vidro é bastante opaco ao invisível (raios-x). Alternativamente, uma folha de papel preto pode ser interposta entre o tubo CRT e o tubo Geiger. Agora temos a situação oposta-o papel é opaco à luz visível, mas transparente à radiação invisível. Esta pode ser uma boa pista para a questão “o que é a transparência?”

W. R. Leo, Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments-A How-to Approach, 2nd revised edition, (Springer-Verlag, NY, 1994).
G. F. Knoll, Radiation Detection and Measurement, 2nd edition, (John-Wiley, NY, 1989).

1 Ludlum Measurements, Inc. model 177 ratemeter with model 44-7 G-M tube
2 And this is the reason why the glass of television picture tubes is so thick.
3 Note que, para medições de raios X e gama na gama de energia de alguns keV a alguns MeV, os valores de exposição em roentgens podem ser considerados numericamente iguais a doses absorvidas em rads para tecido ou a equivalentes de dose em rem. A rad é a unidade tradicional de dose absorvida. O cinza foi adotado como a unidade no sistema internacional e 1 gray = 100 rad. O limite de exposição profissional de todo o corpo é de 1.250 mrem / qtr; 5.000 mrem / yr. Em média, a exposição profissional não deve exceder alguns mrad por hora. O limite de exposição não profissional (incluindo a exposição de menores) é de 125 mrem/trimestre.
4 vidro é composto principalmente de quartzo, ou sílica (SiO2), misturado com soda (Na2O) e/ou cal (CaO). Não conseguimos resolver as linhas Ka e Kß com o nosso espectrómetro.

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