Physical Review Letters: учёные разгадали тайну выброса рентгеновских лучей

Фото из открытых источников

Начиная с 1960-х годов ученые, изучающие рентгеновское излучение, молнии и иные подобные явления, отметили необычный эффект. Во время экспериментов в лаборатории по воспроизведению этих явлений обнаруживалось, что электроны, ускоряясь между двумя электродами, могут иметь больше энергии, чем ожидалось.

Что противоречит физическому предположению, что энергия электронов должна соответствовать напряжению. Учёные ломали голову над этим противоречием уже несколько десятилетий, но оно не поддавалось объяснению. Недавно группа специалистов Пенсильванского университета применила математическое моделирование для объяснения алгоритма этого явления. Результаты обнародованы в журнале Physical Review Letters.

В лабораторных экспериментах напряжение подают между двумя электродами-проводниками. Далее электроны (отрицательно заряженные частицы) ускоряются через зазор, в роли которого выступает газ или вакуум. Энергия, которую набирают электроны, должна теоретически соответствовать приложенному напряжению, но во всех экспериментах она превышала напряжение в два-три раза. Парадокс удалось разрешить с помощью математического моделирования. Оказалось, что источник «неправильности» кроется в процессе обратной связи по энергии.

Когда электроны взаимодействуют с материалом электрода, они испускают рентгеновские лучи, состоящие из фотонов. Последние являются безмассовыми, лишенными заряда частицами, из которых состоит свет. Часть фотонов распространяется назад, что позволяет большему числу электронов высвободиться из другого электрода.

Небольшая группа этих электронов имеет энергию, соответствующую первоначальной энергии. Потом они снова ускоряются, и процесс продолжается несколько циклов.

Команда смоделировала этот очень высокоэнергетический процесс. Модель помогла понять ещё один эффект: почему электроды разных форм и материалов дают разный результат. Максимальный эффект получается при применении плоских электродов, а минимальный — с электродами, похожими на иглы. Объяснение просто: у плоских электродов большая площадь поверхности, что способствует взаимодействию между электронами и фотонами и их отскоку назад и вперед. При малой площади поверхности эффект сводится к минимуму.

Также с помощью симуляции и моделирования было изучено, как явление отличается в различных материалах. Вольфрам максимально подходит для цели производства рентгеновских лучей, сделали вывод экспериментаторы.