Рент­ге­нов­ские лучи (пер­во­на­чаль­но на­зван­ные Х-лу­ча­ми) были от­кры­ты в 1895 г. не­мец­ким фи­зи­ком Рент­ге­ном. От­крыв Х-лучи, Рент­ген тща­тель­ны­ми опы­та­ми вы­яс­нил усло­вия их об­ра­зо­ва­ния. Он уста­но­вил, что эти лучи воз­ни­ка­ют при тор­мо­же­нии на ве­ще­стве быст­ро ле­тя­щих элек­тро­нов. Ис­хо­дя из этого об­сто­я­тель­ства, Рент­ген скон­стру­и­ро­вал и по­стро­ил спе­ци­аль­ную труб­ку, удоб­ную для по­лу­че­ния рент­ге­нов­ских лучей (см. рис. 1).

Рент­ге­нов­ские труб­ки пред­став­ля­ют собой стек­лян­ные ва­ку­ум­ные бал­ло­ны с рас­по­ло­жен­ны­ми внут­ри элек­тро­да­ми. Раз­ность по­тен­ци­а­лов на элек­тро­дах нужна очень вы­со­кая  — до сотен ки­ло­вольт. На воль­фра­мо­вом ка­то­де, по­до­гре­ва­е­мом током, про­ис­хо­дит тер­мо­элек­трон­ная эмис­сия, то есть с него ис­пус­ка­ют­ся элек­тро­ны, ко­то­рые, уско­ря­ясь элек­три­че­ским полем, «бом­бар­ди­ру­ют» анод. В ре­зуль­та­те вза­и­мо­дей­ствия быст­рых элек­тро­нов с ато­ма­ми анода рож­да­ют­ся фо­то­ны рент­ге­нов­ско­го диа­па­зо­на.

Было уста­нов­ле­но, что чем мень­ше длина волны рент­ге­нов­ско­го из­лу­че­ния, тем боль­ше про­ни­ка­ю­щая спо­соб­ность лучей. Рент­ген на­звал лучи с вы­со­кой про­ни­ка­ю­щей спо­соб­но­стью (слабо по­гло­ща­ю­щи­е­ся ве­ще­ством) жёстки­ми.

Раз­ли­ча­ют тор­моз­ное и ха­рак­те­ри­сти­че­ское рент­ге­нов­ское из­лу­че­ние. Элек­тро­ны могут, встре­ча­ясь с ано­дом, тор­мо­зить­ся, то есть те­рять энер­гию в элек­три­че­ских полях его ато­мов. Эта энер­гия из­лу­ча­ет­ся в виде рент­ге­нов­ских фо­то­нов. Такое из­лу­че­ние на­зы­ва­ет­ся тор­моз­ным. Тор­моз­ное из­лу­че­ние со­дер­жит фо­то­ны раз­ных ча­стот и, со­от­вет­ствен­но, длин волн. По­это­му спектр его яв­ля­ет­ся сплош­ным (не­пре­рыв­ным). Энер­гия из­лу­ча­е­мо­го фо­то­на не может пре­вы­шать ки­не­ти­че­скую энер­гию по­рож­да­ю­ще­го его элек­тро­на. Ки­не­ти­че­ская же энер­гия элек­тро­нов за­ви­сит от при­ло­жен­ной к элек­тро­дам раз­но­сти по­тен­ци­а­лов.

Ме­ха­низм по­лу­че­ния ха­рак­те­ри­сти­че­ско­го из­лу­че­ния сле­ду­ю­щий. Быст­рый элек­трон может про­ник­нуть внутрь атома и вы­бить какой-либо элек­трон с одной из ниж­них ор­би­та­лей, то есть пе­ре­дать ему энер­гию, до­ста­точ­ную для пре­одо­ле­ния по­тен­ци­аль­но­го ба­рье­ра. Об­ра­зо­вав­ша­я­ся в ре­зуль­та­те вы­би­ва­ния ва­кан­сия за­пол­ня­ет­ся элек­тро­ном с од­но­го из вы­ше­ле­жа­щих уров­ней. За­ни­мая более низ­кий уро­вень, элек­трон из­лу­ча­ет из­ли­шек энер­гии в форме кван­та ха­рак­те­ри­сти­че­ско­го рент­ге­нов­ско­го из­лу­че­ния. Наи­бо­лее быст­рые элек­тро­ны могут вы­бить элек­трон с K-обо­лоч­ки, менее быст­рые  — с L-обо­лоч­ки и т. д. (рис. 2а).

Элек­трон­ная струк­ту­ра атома  — это дис­крет­ный набор воз­мож­ных энер­ге­ти­че­ских со­сто­я­ний элек­тро­нов. По­это­му рент­ге­нов­ские фо­то­ны, из­лу­ча­е­мые в про­цес­се за­ме­ще­ния элек­трон­ных ва­кан­сий, также могут иметь толь­ко стро­го опре­делённые зна­че­ния энер­гии, со­от­вет­ству­ю­щие раз­но­сти уров­ней. Вслед­ствие этого ха­рак­те­ри­сти­че­ское рент­ге­нов­ское из­лу­че­ние об­ла­да­ет спек­тром не сплош­но­го, а ли­ней­ча­то­го вида. Такой спектр поз­во­ля­ет ха­рак­те­ри­зо­вать ве­ще­ство анода  — от­сю­да и на­зва­ние этих лучей. На рис. 2б по­ка­зан ха­рак­те­ри­сти­че­ский спектр на фоне тор­моз­но­го спек­тра.

Во­прос о при­чи­не раз­лич­ной окрас­ки тел за­ни­мал ум че­ло­ве­ка уже давно. Боль­шое зна­че­ние в по­ни­ма­нии этого во­про­са имели ра­бо­ты Нью­то­на (на­чав­ши­е­ся около 1666 г.) по раз­ло­же­нию бе­ло­го света в спектр (см. рис.).

Свет от фо­на­ря осве­ща­ет узкое пря­мо­уголь­ное от­вер­стие S (щель). При по­мо­щи линзы L изоб­ра­же­ние щели по­лу­ча­ет­ся на экра­не MN в виде уз­ко­го бе­ло­го пря­мо­уголь­ни­ка S'. По­ме­стив на пути лучей приз­му Р, об­на­ру­жим, что изоб­ра­же­ние щели сме­стит­ся и пре­вра­тит­ся в окра­шен­ную по­лос­ку, пе­ре­хо­ды цве­тов в ко­то­рой от крас­но­го к фи­о­ле­то­во­му по­доб­ны на­блю­да­е­мым в ра­ду­ге. Это ра­дуж­ное изоб­ра­же­ние Нью­тон на­звал спек­тром.

В таб­ли­це при­ве­де­ны в ка­че­стве при­ме­ра зна­че­ния по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния в за­ви­си­мо­сти от длины волны для двух сор­тов стек­ла и воды.

Цвет окру­жа­ю­щих нас пред­ме­тов может быть раз­лич­ным бла­го­да­ря тому, что све­то­вые волны раз­ной длины в луче бе­ло­го цвета рас­се­и­ва­ют­ся, по­гло­ща­ют­ся и про­пус­ка­ют­ся пред­ме­та­ми по-раз­но­му. Доля све­то­во­го по­то­ка, участ­ву­ю­щая в каж­дом из этих про­цес­сов, опре­де­ля­ет­ся с по­мо­щью со­от­вет­ству­ю­щих ко­эф­фи­ци­ен­тов: от­ра­же­ния ρ, про­пус­ка­ния и по­гло­ще­ния α.

Если, на­при­мер, у ка­ко­го-либо тела для крас­но­го света ко­эф­фи­ци­ент про­пус­ка­ния велик, ко­эф­фи­ци­ент от­ра­же­ния мал, а для зелёного  — на­о­бо­рот, то это тело будет ка­зать­ся крас­ным в про­хо­дя­щем свете и зелёным в отражённом. Та­ки­ми свой­ства­ми об­ла­да­ет, на­при­мер, хло­ро­филл  — ве­ще­ство, со­дер­жа­ще­е­ся в ли­стьях рас­те­ний и обу­слов­ли­ва­ю­щее их цвет. Рас­твор (вы­тяж­ка) хло­ро­фил­ла в спир­ту ока­зы­ва­ет­ся на про­свет крас­ным, а на от­ра­же­ние  — зелёным.

Для очень бе­ло­го не­про­зрач­но­го тела ко­эф­фи­ци­ент от­ра­же­ния бли­зок к еди­ни­це для всех длин волн, а ко­эф­фи­ци­ен­ты по­гло­ще­ния и про­пус­ка­ния очень малы. Про­зрач­ное стек­ло имеет малые ко­эф­фи­ци­ен­ты от­ра­же­ния и по­гло­ще­ния, а ко­эф­фи­ци­ент про­пус­ка­ния близ­кий к еди­ни­це для всех длин волн.

Раз­ли­чие в зна­че­ни­ях ко­эф­фи­ци­ен­тов и ρ и их за­ви­си­мость от цвета (длины волны) па­да­ю­ще­го света обу­слов­ли­ва­ют чрез­вы­чай­ное раз­но­об­ра­зие в цве­тах и от­тен­ках раз­лич­ных тел.

Рент­ге­нов­ские лучи (пер­во­на­чаль­но на­зван­ные Х-лу­ча­ми) были от­кры­ты в 1895 г. не­мец­ким фи­зи­ком Рент­ге­ном. От­крыв Х-лучи, Рент­ген тща­тель­ны­ми опы­та­ми вы­яс­нил усло­вия их об­ра­зо­ва­ния. Он уста­но­вил, что эти лучи воз­ни­ка­ют при тор­мо­же­нии на ве­ще­стве быст­ро ле­тя­щих элек­тро­нов. Ис­хо­дя из этого об­сто­я­тель­ства, Рент­ген скон­стру­и­ро­вал и по­стро­ил спе­ци­аль­ную труб­ку, удоб­ную для по­лу­че­ния рент­ге­нов­ских лучей (см. рис. 1).

Рент­ге­нов­ские труб­ки пред­став­ля­ют собой стек­лян­ные ва­ку­ум­ные бал­ло­ны с рас­по­ло­жен­ны­ми внут­ри элек­тро­да­ми. Раз­ность по­тен­ци­а­лов на элек­тро­дах нужна очень вы­со­кая  — до сотен ки­ло­вольт. На воль­фра­мо­вом ка­то­де, по­до­гре­ва­е­мом током, про­ис­хо­дит тер­мо­элек­трон­ная эмис­сия, то есть с него ис­пус­ка­ют­ся элек­тро­ны, ко­то­рые, уско­ря­ясь элек­три­че­ским полем, «бом­бар­ди­ру­ют» анод. В ре­зуль­та­те вза­и­мо­дей­ствия быст­рых элек­тро­нов с ато­ма­ми анода рож­да­ют­ся фо­то­ны рент­ге­нов­ско­го диа­па­зо­на.

Было уста­нов­ле­но, что чем мень­ше длина волны рент­ге­нов­ско­го из­лу­че­ния, тем боль­ше про­ни­ка­ю­щая спо­соб­ность лучей. Рент­ген на­звал лучи с вы­со­кой про­ни­ка­ю­щей спо­соб­но­стью (слабо по­гло­ща­ю­щи­е­ся ве­ще­ством) жёстки­ми.

Раз­ли­ча­ют тор­моз­ное и ха­рак­те­ри­сти­че­ское рент­ге­нов­ское из­лу­че­ние. Элек­тро­ны могут, встре­ча­ясь с ано­дом, тор­мо­зить­ся, то есть те­рять энер­гию в элек­три­че­ских полях его ато­мов. Эта энер­гия из­лу­ча­ет­ся в виде рент­ге­нов­ских фо­то­нов. Такое из­лу­че­ние на­зы­ва­ет­ся тор­моз­ным. Тор­моз­ное из­лу­че­ние со­дер­жит фо­то­ны раз­ных ча­стот и, со­от­вет­ствен­но, длин волн. По­это­му спектр его яв­ля­ет­ся сплош­ным (не­пре­рыв­ным). Энер­гия из­лу­ча­е­мо­го фо­то­на не может пре­вы­шать ки­не­ти­че­скую энер­гию по­рож­да­ю­ще­го его элек­тро­на. Ки­не­ти­че­ская же энер­гия элек­тро­нов за­ви­сит от при­ло­жен­ной к элек­тро­дам раз­но­сти по­тен­ци­а­лов.

Ме­ха­низм по­лу­че­ния ха­рак­те­ри­сти­че­ско­го из­лу­че­ния сле­ду­ю­щий. Быст­рый элек­трон может про­ник­нуть внутрь атома и вы­бить какой-либо элек­трон с одной из ниж­них ор­би­та­лей, то есть пе­ре­дать ему энер­гию, до­ста­точ­ную для пре­одо­ле­ния по­тен­ци­аль­но­го ба­рье­ра. Об­ра­зо­вав­ша­я­ся в ре­зуль­та­те вы­би­ва­ния ва­кан­сия за­пол­ня­ет­ся элек­тро­ном с од­но­го из вы­ше­ле­жа­щих уров­ней. За­ни­мая более низ­кий уро­вень, элек­трон из­лу­ча­ет из­ли­шек энер­гии в форме кван­та ха­рак­те­ри­сти­че­ско­го рент­ге­нов­ско­го из­лу­че­ния. Наи­бо­лее быст­рые элек­тро­ны могут вы­бить элек­трон с K-обо­лоч­ки, менее быст­рые  — с L-обо­лоч­ки и т. д. (рис. 2а).

Элек­трон­ная струк­ту­ра атома  — это дис­крет­ный набор воз­мож­ных энер­ге­ти­че­ских со­сто­я­ний элек­тро­нов. По­это­му рент­ге­нов­ские фо­то­ны, из­лу­ча­е­мые в про­цес­се за­ме­ще­ния элек­трон­ных ва­кан­сий, также могут иметь толь­ко стро­го опре­делённые зна­че­ния энер­гии, со­от­вет­ству­ю­щие раз­но­сти уров­ней. Вслед­ствие этого ха­рак­те­ри­сти­че­ское рент­ге­нов­ское из­лу­че­ние об­ла­да­ет спек­тром не сплош­но­го, а ли­ней­ча­то­го вида. Такой спектр поз­во­ля­ет ха­рак­те­ри­зо­вать ве­ще­ство анода  — от­сю­да и на­зва­ние этих лучей. На рис. 2б по­ка­зан ха­рак­те­ри­сти­че­ский спектр на фоне тор­моз­но­го спек­тра.

Во­прос о при­чи­не раз­лич­ной окрас­ки тел за­ни­мал ум че­ло­ве­ка уже давно. Боль­шое зна­че­ние в по­ни­ма­нии этого во­про­са имели ра­бо­ты Нью­то­на (на­чав­ши­е­ся около 1666 г.) по раз­ло­же­нию бе­ло­го света в спектр (см. рис.).

Свет от фо­на­ря осве­ща­ет узкое пря­мо­уголь­ное от­вер­стие S (щель). При по­мо­щи линзы L изоб­ра­же­ние щели по­лу­ча­ет­ся на экра­не MN в виде уз­ко­го бе­ло­го пря­мо­уголь­ни­ка S'. По­ме­стив на пути лучей приз­му Р, об­на­ру­жим, что изоб­ра­же­ние щели сме­стит­ся и пре­вра­тит­ся в окра­шен­ную по­лос­ку, пе­ре­хо­ды цве­тов в ко­то­рой от крас­но­го к фи­о­ле­то­во­му по­доб­ны на­блю­да­е­мым в ра­ду­ге. Это ра­дуж­ное изоб­ра­же­ние Нью­тон на­звал спек­тром.

В таб­ли­це при­ве­де­ны в ка­че­стве при­ме­ра зна­че­ния по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния в за­ви­си­мо­сти от длины волны для двух сор­тов стек­ла и воды.

Цвет окру­жа­ю­щих нас пред­ме­тов может быть раз­лич­ным бла­го­да­ря тому, что све­то­вые волны раз­ной длины в луче бе­ло­го цвета рас­се­и­ва­ют­ся, по­гло­ща­ют­ся и про­пус­ка­ют­ся пред­ме­та­ми по-раз­но­му. Доля све­то­во­го по­то­ка, участ­ву­ю­щая в каж­дом из этих про­цес­сов, опре­де­ля­ет­ся с по­мо­щью со­от­вет­ству­ю­щих ко­эф­фи­ци­ен­тов: от­ра­же­ния ρ, про­пус­ка­ния и по­гло­ще­ния α.

Если, на­при­мер, у ка­ко­го-либо тела для крас­но­го света ко­эф­фи­ци­ент про­пус­ка­ния велик, ко­эф­фи­ци­ент от­ра­же­ния мал, а для зелёного  — на­о­бо­рот, то это тело будет ка­зать­ся крас­ным в про­хо­дя­щем свете и зелёным в отражённом. Та­ки­ми свой­ства­ми об­ла­да­ет, на­при­мер, хло­ро­филл  — ве­ще­ство, со­дер­жа­ще­е­ся в ли­стьях рас­те­ний и обу­слов­ли­ва­ю­щее их цвет. Рас­твор (вы­тяж­ка) хло­ро­фил­ла в спир­ту ока­зы­ва­ет­ся на про­свет крас­ным, а на от­ра­же­ние  — зелёным.

Для очень бе­ло­го не­про­зрач­но­го тела ко­эф­фи­ци­ент от­ра­же­ния бли­зок к еди­ни­це для всех длин волн, а ко­эф­фи­ци­ен­ты по­гло­ще­ния и про­пус­ка­ния очень малы. Про­зрач­ное стек­ло имеет малые ко­эф­фи­ци­ен­ты от­ра­же­ния и по­гло­ще­ния, а ко­эф­фи­ци­ент про­пус­ка­ния близ­кий к еди­ни­це для всех длин волн.

Раз­ли­чие в зна­че­ни­ях ко­эф­фи­ци­ен­тов и ρ и их за­ви­си­мость от цвета (длины волны) па­да­ю­ще­го света обу­слов­ли­ва­ют чрез­вы­чай­ное раз­но­об­ра­зие в цве­тах и от­тен­ках раз­лич­ных тел.

Альфа-ча­сти­цы (α-ча­сти­цы) ис­пус­ка­ют­ся ве­ще­ства­ми в ре­зуль­та­те ра­дио­ак­тив­но­го рас­па­да. Ха­рак­тер­ные зна­че­ния ско­ро­сти α-ча­стиц в этом слу­чае со­став­ля­ют де­сят­ки тысяч ки­ло­мет­ров в се­кун­ду. Ско­рость α-ча­стиц умень­ша­ет­ся при про­хож­де­нии через ве­ще­ство. Если по­ме­стить на пути од­но­род­но­го пучка α-ча­стиц экран из ка­ко­го-ни­будь ма­те­ри­а­ла, то ско­рость α-ча­стиц умень­шит­ся вслед­ствие за­трат ки­не­ти­че­ской энер­гии на иони­за­цию ато­мов и мо­ле­кул при­бли­зи­тель­но оди­на­ко­во. В воз­ду­хе дви­же­ние α-ча­стиц прак­ти­че­ски пря­мо­ли­ней­но. Рас­сто­я­ние, на ко­то­ром ско­рость α-ча­стиц в воз­ду­хе па­да­ет на­столь­ко, что они не­спо­соб­ны ни иони­зи­ро­вать его, ни вы­зы­вать сцин­тил­ля­цию¹, ни за­све­чи­вать фо­то­гра­фи­че­скую пла­стин­ку, на­зы­ва­ют мак­си­маль­ной дли­ной про­бе­га α-ча­стиц в воз­ду­хе.

Чтобы ис­сле­до­вать по­сте­пен­ное по­гло­ще­ние α-лучей в воз­ду­хе, У. Брегг ис­поль­зо­вал очень тон­кий слой ра­дио­ак­тив­но­го ве­ще­ства  — радия, вы­де­ляя с по­мо­щью диа­фраг­мы тон­кий пучок α-ча­стиц, пер­пен­ди­ку­ляр­ный из­лу­ча­ю­щей по­верх­но­сти. Брег­гом была впер­вые по­лу­че­на кри­вая иони­за­ции. Для ра­дио­ак­тив­но­го вис­му­та она резко об­ры­ва­лась на рас­сто­я­нии около 7 см от ис­точ­ни­ка (см. рис. 1).

В опы­тах было уста­нов­ле­но, что длина про­бе­га (R_проб) об­рат­но про­пор­ци­о­наль­на плот­но­сти воз­ду­ха (ρ), при этом плот­ность воз­ду­ха, как из­вест­но, за­ви­сит от его дав­ле­ния и тем­пе­ра­ту­ры В таб­ли­цах при­во­дят зна­че­ния, со­от­вет­ству­ю­щие дав­ле­нию 760 мм рт. ст. и тем­пе­ра­ту­ре 15 ºС. Так, α-ча­сти­цы, ис­пу­щен­ные об­ла­да­ют дли­ной про­бе­га в воз­ду­хе 7 см. Если на пути таких ча­стиц по­ста­вить пре­гра­ду, на­при­мер алю­ми­ни­е­вую фоль­гу, то длина про­бе­га в воз­ду­хе умень­шит­ся с 7 до 5 см. В этом слу­чае го­во­рят, что тор­мо­зя­щая спо­соб­ность этого лист­ка алю­ми­ния эк­ви­ва­лент­на 2 см воз­ду­ха. Раз­ные ра­дио­ак­тив­ные ма­те­ри­а­лы ис­пус­ка­ют α-ча­сти­цы с раз­ной ско­ро­стью, но все ча­сти­цы, ис­пу­щен­ные одним и тем же ве­ще­ством, имеют при­мер­но оди­на­ко­вую ско­рость.

Уста­нов­ле­но, что при про­чих рав­ных усло­ви­ях Экс­пе­ри­мен­таль­ное из­ме­ре­ние мак­си­маль­но­го про­бе­га α-ча­стиц в воз­ду­хе  — один из ме­то­дов опре­де­ле­ния ско­ро­сти этих ча­стиц, а зна­чит, и их ки­не­ти­че­ской энер­гии.

¹Сцин­тил­ля­ция  — крат­ко­вре­мен­ная вспыш­ка света, воз­ни­ка­ю­щая при по­па­да­нии α-ча­сти­цы на экран, по­кры­тый суль­фи­дом цинка ZnS.