Desde la década de 1960, los científicos que estudian los rayos X, los rayos y fenómenos similares han notado algo curioso: al replicar estos fenómenos en experimentos de laboratorio, los electrones acelerados entre dos electrodos pueden tener una energía mayor que el voltaje aplicado. Según los investigadores de Penn State, esto desafía la suposición de la física de que la energía de un electrón debe ser proporcional al voltaje aplicado. A pesar de décadas de conciencia de esta aparente contradicción, los investigadores no han podido descubrir por qué ocurre.
Recientemente, un equipo de investigadores de Penn State utilizó modelos matemáticos para explicar los mecanismos subyacentes del juego. Publicaron sus resultados carta de revisión física.
“En este experimento de laboratorio, se aplica un voltaje entre dos electrodos, que son conductores de electricidad. Luego, los electrones, que son partículas cargadas negativamente, son acelerados a través de un espacio, que puede ser gas o vacío”, dijo Victor Pascoe, profesor de electricidad. ingeniería. Ingeniería de Penn State y autor correspondiente del estudio. “La energía que los electrones pueden alcanzar debería coincidir con el voltaje aplicado, pero en todos estos experimentos, las energías excedían ese voltaje en un factor de dos o tres, lo cual era un enigma”.
Mediante modelos matemáticos, Pascoe y su equipo demostraron que un mecanismo de retroalimentación de energía es responsable de este fenómeno.
Según Pascoe, cuando los electrones interactúan con el material del electrodo, emiten rayos X, que están formados por fotones, las partículas sin masa y sin carga que forman la luz. Algunos de estos fotones se propagan hacia atrás, lo que permite que se liberen más electrones del otro electrodo. Un pequeño grupo de estos electrones tiene energías consistentes con la energía del núcleo. Luego se aceleran nuevamente y el proceso continúa durante varios ciclos. Pasko y su equipo modelaron este proceso de muy alta energía.
Pascoe dijo que su modelo ayudó a explicar por qué electrodos de diferentes tamaños y materiales producen este efecto en diferentes grados.
“Descubrimos que obtenemos un efecto máximo cuando tenemos electrodos planos y un efecto mínimo cuando los electrodos tienen forma de aguja”. “Esto tiene sentido, porque las grandes superficies de los electrodos planos son buenas para la interacción entre electrones y fotones y la forma en que rebotan hacia adelante y hacia atrás. Cuando se reduce el área de superficie, el efecto se reduce”.
Los investigadores también examinaron mediante simulaciones y modelos cómo surge el fenómeno con diferentes materiales.
“El tungsteno es el material estándar utilizado para producir rayos X, y sabemos que es un buen material para eso. Es un material fuerte para producir los electrones utilizados en la corriente de la máquina de rayos X”, dijo Pascoe. “Nuestro estudio examinó muchos materiales adicionales y, utilizando nuestro modelo, pudimos resumir las propiedades de los materiales que conducen al mayor efecto”.
Los investigadores dijeron que sus hallazgos podrían ser útiles para desarrollar nuevas formas de producir rayos X en el futuro. Específicamente, dijeron que el trabajo podría estimular nuevas investigaciones sobre la producción de electrones energéticos a partir de sólidos, lo que podría hacer que las máquinas de rayos X sean más rápidas, livianas y compactas.
Sébastien Celestin, Universidad de Orleans, Francia, y Anne Bourdon, CNRS y Ecole Polytechnique, Francia, son coautores del artículo. Esta investigación fue financiada en parte por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU.