X線発生装置について教えて下さい！

物理教科書には、「フィラメントから出た電子が～」なんて書いてあるのですが、どうやって電子が出ていくのか、詳しく説明してほしいです。添付の図の、赤で囲った部分です。左上の部分は、直流電源でつながれた、普通の回路に見えます。普通の回路だったら、導線内を電子がぐるぐる回る（電流が流れる）だけではないのでしょうか？

No.5 ベストアンサー 回答者： tknakamuri 回答日時： 2024/11/25 10:55

金属中の電子はあるエネルギー(仕事関数)以上の運動エネルギーを

得ると金属から飛び出します。
暴れる電子は金属内に捕えておけないのです。

なので、電子を金属からとびだたせるには
①温度を上げて電子の運動エネルギーを増やす
②高電圧をかけて仕事関数(ポテンシャル障壁)を下げる。

左に見える電池はヒーターに電流を流して熱くするためのものです。
①のためですね。

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。左上の電池の役割が理解できて、スッキリしました。

お礼日時：2024/11/26 12:51

No.6 回答者： finalbento 回答日時： 2024/11/25 12:11

そもそもの話、回路の電子は必ず導線の中を通るとは限りません。

要するに「通りやすい所を通る」と言うだけですから、回路の中より外の方が通りやすければそちらに行って当然です。

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。図の例だと、導線の中よりも電位差の大きな外部の方が電子が通りやすくなっているんですね。

お礼日時：2024/11/26 12:53

No.4 回答者： himagene 回答日時： 2024/11/25 10:44

下記のサイトには数式を使った説明が書いてありますが、あなたにどの程の基礎知識があるかわからないので、お話だけにしておきます。

https://www.jstage.jst.go.jp/article/jvsj1958/21 …
まず、図１を見てください。これは金属の表面近くのポテンシャル（電子が金属原子に閉じ込められている力の様なもの）を表した図です。上の方の0と書いてあるx軸に相当するポテンシャルが真空に出た時に相当します。y軸のマイナス無限大からx軸に向かって伸びている上に凸の破線が表面にある原子核が作るポテンシャルです。x=0が表面で、右側(x>0)が真空で、左側(x<0)が金属内部です。金属電子は普段は（温度が低い時は）下の方（E_F=-φ_mより下)の特定の場所（準位）に収まっていますが、温度が上がると次第に上の準位に上がります。そして０まで上がると真空中に飛び出すことができます。しかし飛び出しても電荷のバランスが崩れるので元の場所に引き戻されます。
この図の曲線V(x)は近くに陽極などを置いて電場がかけられている時のポテンシャルの曲線です。電場(-eFx)があるとポテンシャルは歪められて、図の曲線V(x)のようにピークを持ちます。ここで金属を加熱するとエネルギーを得てV_mよりも高く飛び上がった電子はピークを越えるものも出てきます。一旦ピーク（V_m）を越えた電子はポテンシャルの坂を転げ落ちて陽極まで行きます。これが「熱電子放出」の物理です。

ついでに、外からかける電場Fを極端に強くした場合を考えよう。この場合、0から出発した-eFxの破線はもっと急になります。するとV(x)の曲線の外側も急になり、ポテンシャルの壁が薄くなります。ポテンシャルの壁が薄くなると、量子力学的効果が表れて一部の電子は壁をトンネル効果によって透過して真空中に出ることができます。この場合は金属を加熱する必要がありません。このような電子の出し方を「電界放出」と言います。

加熱の代わりに紫外線の様な光子のエネルギーが大きな光を使っても電子が飛び出します。これが「光電子放出」です。

どれも電子銃として使われています。

質問の図を、電気回路としてみると、ヒーター加熱回路と電子流を含む回路の組み合わせです。

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。金属を熱したり、電場をかけたりするとポテンシャルが変わるのですね。最後の光電効果は、高校の教科書に載っているので理解ができました。

お礼日時：2024/11/26 12:50

No.3 回答者： kanta2006 回答日時： 2024/11/24 23:39

もっと身近なところでは、蛍光灯だって両端のフィラメントから放出された電子を、管内の水銀原子に衝突させることで紫外線を発生させ、その紫外線を蛍光物質に当てることで可視光線に変えています。

参考
https://www.tozaidensan.co.jp/dictionary/diction …

https://www.tdk.com/ja/tech-mag/hatena/009

https://global.canon/ja/technology/s_labo/light/ …

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。電子は、わりと簡単に外に出るんですね。

お礼日時：2024/11/26 12:45

No.2 回答者： m-jiro 回答日時： 2024/11/24 22:39

電子はフィラメントを温めるだけで出て来ます。

熱電子と言います。
フィラメントの加熱電源は交流でもかまいません。その電圧は一般に数ボルト程度です。
フィラメントから出た熱電子は陽極に飛び込むことで電流が流れます。
陽極にはプラスの電圧を加えます。Ｘ線管では数万ボルトの高電圧で、この電圧で出て来るＸ線の波長が決まります。

これ、構造としては昔に使われていた真空管と同じです。テレビには1～3万ボルトの電圧を制御している真空管がありました。弱いながらもＸ線を出すので問題になった事がありました。

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。熱電子は、想像よりも簡単に外に出ることがわかりました。

お礼日時：2024/11/26 12:42

No.1 回答者： yhr2 回答日時： 2024/11/24 22:29

＞どうやって電子が出ていくのか、詳しく説明してほしいです

電流を流すということは「電子が移動する」ということです。
真空中に対向で電極を置き、そこに高電圧をかけて陰極を熱することで、陰極から陽極に向かって「熱電子」が放出されます。
上記の図でいえば、「高圧電源」が陰極と陽極との間に高電圧をかけ、左の「電池」が陰極のフィラメントを熱しています。

熱電子
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%86%B1%E9%9B%BB …

一昔前の電子回路で使っていた「真空管」や、液晶テレビになる前のブラウン管テレビ、照明の蛍光灯や広告看板の「ネオンサイン」も、同様の原理で電子の流れを作り出しています。

真空管
https://www.korgnutube.com/tube

ブラウン管
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%96%E3%83%A9 …

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。熱電子というものがあるのですね。陰極の自由電子が自由になりすぎて、外に飛び出す感じでしょうかね。

お礼日時：2024/11/26 12:41