X射线系列实验实验报告.doc

1、南 昌 大 学 物 理 实 验 报 告课程名称： 近代物理实验 实验名称： X 射线系列实验 学院： 专业班级： 学生姓名： 学号： 实验地点： 实验时间： 实验一：X 射线在 NaCl 单晶中的衍射一、实验目的（1）了解 X 射线的产生、特点和应用。（2）了解 X 射线管产生连续 X 射线谱和特征谱的基本原理。（3）研究 X 射线在 NACL 单晶体上的衍射，并通过测量 X 射线特征谱线的衍射角测定 X 射线的波长。二、实验原理1.X 射线的产生和 X 射线的光谱实验中通常使用 X 光管来产生 X 射线。在抽成真空的 X 光管内，当由热阴极发出的电子经高压电场加速后，高速运动的电子轰击由金属

2、做成的阳极靶时，靶就发射 X 射线。发射出的 X 射线分为两类：（1）如果被靶阻挡的电子的能量不越过一定限度时，发射的是连续光谱的辐射。这种辐射叫做轫致辐射。 （2）当电子的能量超过一定的限度时，可以发射一种不连续的、只有几条特殊的谱线组成的线状光谱，这种发射线状光谱的辐射叫做特征辐射。连续光谱的性质和靶材料无关，而特征光谱和靶材料有关，不同的材料有不同的特征光谱，这就是为什么称之为“特征”的原因。（1）连续光谱。连续光谱又称为“白色”X 射线，包含了从短波限 m 开始的全部波长，其强度随波长变化连续地改变。从短波限开始随着波长的增加强度迅速达到一个极大值，之后逐渐减弱，趋向于零（图 1-1）

3、 。连续光谱的短波限 m 只决定于 X 射线管的工作高压。图 1-1 X 射线管产生的 X 射线的波长谱（2）特征光谱。阴极射线的电子流轰击到靶面，如果能量足够高，靶内一些原子的内层电子会被轰出，使原子处于能级较高的激发态。图 2-1-2b 表示的是原子的基态和 K,L,M,N 等激发态的能级图，K 层电子被轰出称为 K 激发态，L层电子被轰出称为 L 激发态，依次类推。原子的激发态是不稳定的，内层轨道上的空位将被离核更远的轨道上的电子所补充，从而使原子能级降低，多余的能量便以光量子的形式辐射出来。图 1-2（a）描述了上述激发机理。处于 K 激发态的原子，当不同外层（L,M,N,层）的电子向

4、 K 层跃迁时放出的能量各不相同，产生的一系列辐射统称为 K 系辐射。同样，L 层是电子被轰出后，原子处于 L 激发态，所产生的一系列辐射统称为 L 系辐射，依次类推。基于上述机制产生的 X 射线，其波长只与原子处于不同能级时发生电子跃迁的能级差有关，而原子的能级是由原子结构决定的。图 1-2 元素特征 X 射线的激发机理2.X 射线在晶体中的衍射光波经过狭缝将产生衍射现象。狭缝的大小必须与光波的波长同数量级或更小。对 X 射线，由于它的波长在 0.2nm 的数量级，要造出相应大小的狭缝观察 X 射线的衍射，就相当困难。冯劳厄首先建议用晶体这个天然的光栅来研究 X 射线的衍射，因为晶体的晶格正

5、好与X 射线的波长属于同数量级。图 1-3 显示的是NaCl 晶体中氯离子与钠离子的排列结构。下面讨论 X 射线打在这样的晶格上所产生的结果。图 1-3 NaCl 晶体中氯原子与钠原子的排列结构由图 1-4（a）可知，当入社 X 射线与晶面相交 角时，假定晶面就是镜面（即布拉格面，入射角与出射角相等） ，那么容易看出，图中两条射线 1 和 2 的光程差是 ，即 。当它为波长的整数倍时（假定入射光为单色的，+ 2dsin只有一种波长）布拉格（Bragg）公式2dsin=n,n=1,2,3.在 方向射出的 X 射线即得到衍射加强。（a） （b）图 1-4 布拉格公式的推导根据布拉格公式，既可以利用

6、已知的晶体（ 已知）通过测 角来研究未知d X 射线的波长；也可以利用已知 X 射线（ 已知）来测量未知晶体的晶面间距。三、实验装置本实验使用 X 射线实验仪如图 1-5 所示。该装置分为三个工作区：中间是 X 光管区，是产生 X 射线的地方；右边是实验区；左边是监控区。X 光管的结构如图 16 所示。它是一个抽成高真空的石英管，其下面（1）是接地的电子发射极，通电加热后可发射电子；上面（2）是钼靶，工作时加以几万伏的高压。电子在高压作用下轰击钼原子而产生 X 射线，钼靶受电子轰击的面呈斜面，以利于 X 射线向水平方向射出。 （3）是铜块， （4）是螺旋状热沉，用以散热。 （5）是管脚。图 1

7、-5 X 射线实验仪右边的实验区可安排各种实验。A1 是 X 光的出口。A2 是安放晶体样品的靶台。A3 是装有 GM 计数管的传感器，它用来探测 X 光的强度。A2 和 A3 都可以转动，并可通过测角器分别测出它们的转角。左边的监控区包括电源和各种控制装置。B1 是液晶显示区。B2 是个大转盘，各参数都由它来调节和设置。B3 有五个设置按键，由它确定 B2 所调节和设置的对象。B4 有扫描模式选择按键和一个归零按键。SENSOR传感器扫描模式；COUPLED耦合扫描模式，按下此键时，传感器的转角自动保持为靶台转角的 2 倍（如图 17）B5 有五个操作键，它们是：RESET；REPLAY；S

8、CAN（ON/OFF） ；是声脉冲开关；HV（ON/OFF）键是 X 光管上的高压开关。图 1-7 COUPLED 模式下靶台和传感器的角位置四、实验内容钼原子的 X 特征谱线（1）将 NaCl 放置在靶台上。操作时，必须戴一次性手套，首先将锁定杆逆时针转动，靶台锁定解除，把 NaCL 样品（平板）轻轻放在靶台上，向前推到图 1-6 X 光管底后将靶台轻轻向上抬起，确保样品被支架上的凸楞压住；最后顺时针轻轻转动锁定杆，使靶台锁定。（2）设置工作参数。高压 ，发射电流 ， ， =0.1U=30 I=1t=6分别按 COUPLED 和 limits 键设置靶的下限为 2.5 ，上限为 25 。启动

9、管高压 HV（ON/OFF） ，按 SCAN 启动测量。（3）记录实验结果。测量结束后，调出程序中的 setting 对话框（F5） ，输入 NaCl 的 值（ ） ，此时图的横坐标由掠射角 自动转变为波长d =282.01 （pm） 。记录各级衍射峰的中心值（ （ ） ， （ ） ） ，并求出其平均值。 五、实验数据及数据处理（1）X 射线在 NaCl 晶体中的衍射 数据表及示意 图/1/1/1/1/1/12.5 7.8 6.3 312.7 10.1 99.5 13.9 57 17.7 36.5 21.5 24.52.6 12.7 6.4 467.7 10.2 87.8 14 59.8 17

10、.8 29.7 21.6 19.22.7 9.7 6.5 671.8 10.3 89.2 14.1 58.2 17.9 32.3 21.7 21.82.8 12.5 6.6 630.8 10.4 85.3 14.2 54.2 18 28.5 21.8 20.82.9 10.8 6.7 347.7 10.5 84.2 14.3 59.7 18.1 29.7 21.9 25.53 12.5 6.8 280.2 10.6 85.5 14.4 59 18.2 28 22 263.1 9.8 6.9 266.2 10.7 78 14.5 76.7 18.3 32.7 22.1 36.73.2 7.8 7

11、 268.3 10.8 72.8 14.6 241.5 18.4 26.2 22.2 85.23.3 12.5 7.1 301.8 10.9 72.8 14.7 378.3 18.5 33.2 22.3 104.83.4 11.2 7.2 800.7 11 71.2 14.8 300.5 18.6 27.3 22.4 74.53.5 11.8 7.3 1483.2 11.1 69.3 14.9 112.7 18.7 27.2 22.5 493.6 11.2 7.4 1437.8 11.2 68 15 49 18.8 29.5 22.6 23.23.7 14.8 7.5 466.2 11.3 6

12、6.2 15.1 42.7 18.9 26 22.7 20.53.8 31 7.6 221.7 11.4 72 15.2 46.5 19 28.3 22.8 193.9 89.2 7.7 199.7 11.5 68.3 15.3 49.3 19.1 28.3 22.9 19.54 162.7 7.8 190.7 11.6 61.5 15.4 50.7 19.2 27.2 23 19.24.1 228.8 7.9 194 11.7 58.8 15.5 44 19.3 32.2 23.1 20.74.2 271.5 8 182.8 11.8 61.3 15.6 46.5 19.4 31.2 23.

13、2 184.3 321.3 8.1 176.7 11.9 57.3 15.7 40 19.5 28.5 23.3 18.74.4 342.3 8.2 177.5 12 53.2 15.8 40 19.6 37.2 23.4 17.24.5 355.2 8.3 175.5 12.1 54.5 15.9 43.3 19.7 49.3 23.5 164.6 380.3 8.4 160.7 12.2 54.3 16 49 19.8 51.5 23.6 15.34.7 395.5 8.5 157.7 12.3 62.2 16.1 41.8 19.9 31 23.7 15.74.8 406.5 8.6 1

14、52.2 12.4 59.2 16.2 40.8 20 25.5 23.8 16.84.9 418.3 8.7 156.8 12.5 51.7 16.3 38.8 20.1 23.5 23.9 16.55 395.3 8.8 147.8 12.6 62 16.4 38.2 20.2 22.3 24 155.1 408.3 8.9 140.5 12.7 68.8 16.5 39 20.3 22.8 24.1 155.2 407.2 9 132.8 12.8 84 16.6 37.5 20.4 20.7 24.2 16.75.3 391.5 9.1 129.8 12.9 90.5 16.7 37.

15、3 20.5 19.7 24.3 16.85.4 378.7 9.2 124.2 13 144.2 16.8 37.8 20.6 25.7 24.4 18.25.5 379.2 9.3 117.3 13.1 140.5 16.9 34.7 20.7 18.8 24.5 15.75.6 371.8 9.4 117 13.2 86.8 17 37.8 20.8 24.2 24.6 14.75.7 363.8 9.5 109.7 13.3 62 17.1 36.5 20.9 22.5 24.7 16.35.8 345 9.6 111.5 13.4 62.2 17.2 33.3 21 23.2 24.

16、8 16.75.9 346.7 9.7 97.2 13.5 58.3 17.3 33.5 21.1 20.7 24.9 126 316.3 9.8 100.3 13.6 57.8 17.4 33.7 21.2 21.2 25 17.76.1 309.2 9.9 97.7 13.7 54.2 17.5 31.3 21.3 21.2 6.2 306.7 10 95 13.8 58.3 17.6 31.2 21.4 21 X 射线在 NaCl 晶体的布拉格衍射示意图根据布拉格（Bragg）公式（其中 ）=282.012dsin=n,n=1,2,3.级数 n 掠射角 / 波长 / 7.3 71.667

17、01 6.5 63.8489 14.7 71.56232 13.0 63.4384 22.3 71.34033 19.8 63.6850得： =(1+2+3)3=71.5232=(1+2+3)3=63.6574实验二：X 射线的康普顿效应一、实验目的（1）通过 X-射线在 NaCl 晶体上的第一级衍射认识钼阳极射线管的能谱，了解Edge absorption。（2）验证 X 光子康普顿的波长漂移。二、实验原理康普顿效应：1923 年，美国物理学家 Compton 发现被散射体散射的 X 射线的波长的漂移，并将原因归结为 X 射线的量子本质。他解释这种效应是一个 X光量子和散射物质的一个电子发生

18、碰撞，其中 X 光量子的能量发生了改变，他的一比分动能转移给了电子。=式中， 为普朗克常数； 为光速； 为波长。 在碰撞中，能量和动量守恒。碰撞前，电子可以认为是静止的。碰撞后电子的速度为 ， 和 是 X 光量子散射前后的波长，依据相对论的能量守恒的公 1 2式表述可以得到：1+02=2+021()2式中 为电子的质量。0X 光量子的动量为=动量守恒导致2cos+01()2cos=12sin+01()2sin=0， ：碰撞角度（见图 2-1） 图 2-1 康普顿散射示意图最终波长的改变量为 21=0(1cos)常数 定义为康普顿波长 。0=2.43 本实验是利用一个铜箔来证明波长漂移现象的存在

19、。R.W.Pohl 研究了铜箔的透射系数 会随着 X 光子的波长变化（见图 2-2） ，故由于康普顿散射而导致的 X 光子坡长的漂移就变现在透射率和计数率的改变。波长与铜箔的透射率见的关系可以用公式表述为：图 2-2 透射率和波长的关系=( 100)其中 ，=7.6=2.75实验的开始是记录被铝散射的 X 光子的无衰减时的计数率 , 。因为计数1 2率低，故背景辐射 也要考虑。则透射率是：和1=10 2=20由此得到 X 光子的平均波长 ， 。根据公式得到波长的漂移为1 2=21三、实验内容1.钼原子的 X 特征谱线（1）将 NaCl 放置在靶台上。操作时，必须戴一次性手套，首先将锁定杆逆时针

20、转动，靶台锁定解除，把 NaCl 样品（平板）轻轻放在靶台上，向前推到底后将靶台轻轻向上抬起，确保样品被支架上的凸楞压住；最后逆时针轻轻转动锁定杆，是靶台锁定。（2）设置工作参数。高压 30kV，发射电流 , , 分别=1=3=0.1按 COUPLED 和 limits 键设置靶的下限为 5.5 ，上限为 8 启动高压管 HV（ON/OFF） ，按下 SCAN 启动测量。（3）记录实验结果。测量结束后，输入 NaCl 的 值（ ） ，此 =282.01时图的横坐标由掠射角 自动转变为波长 。 （ ）2.边吸收（edge absorption）（1）戴一次性手套，将 Zr 滤波器安装在准直器的出

21、口端，注意：该仪器实验区的空间较小，而准直器的安装位较深，拔出时不要用力过猛，以免撞到放置样品的靶台。（2）实验设置和步骤如上。（3）记录衍射峰峰值，并和实验 1 的结果比较。3.X 射线的康普顿效应（1）将靶台上的 NaCl 样品换成实验提供的铝块。（2）按下 TARGET，使用 ADJUST 钮调节靶的角度到 20 。按下 SENSOR，用ADJUST 钮调节传感器的角度到 145 。（3）设置管高压 ，反射电流 。角的步进宽度U=30 I=1.00。=0.0）无铜滤波器。设定测量时间 ，使用 HV（ON/OFF） 、SCAN 键启动=60测量。当测量时间结束时，按 REPLAY 体的前面

22、。将铜滤波器按装在准直器的出口，测量时间升至 后，实验步骤同） ，该计数率标为 。=600 0）铜滤波器放在铝散射体的前面。将铜滤波器按装在准直器的出口，测量时间升至 后，实验步骤同） ，该计数率标为 。=600 1）铜滤波器放在铝散射体的后面。将铜滤波器按装在传感器上，测量时间为t=600s ，实验步骤同） ，该计数率标为 。2）背景效应。取下铜滤波器，设定发射电流 I=，测量时间为 ，=600实验步骤同） ，该计数率标为 。）数据计算及实验结果分析。依据实验原理中的相关公式计算其波长漂移量，并与康普顿散射的理论值相比。四、实验数据及数据处理（1）钼原子的 X 特征谱线/ /1 / /15.

23、5 419.7 6.8 284.75.6 415.3 6.9 290.75.7 374 7 280.35.8 368 7.1 318.35.9 368.7 7.2 8816 338 7.3 16016.1 332.7 7.4 1521.36.2 333.7 7.5 490.36.3 345.7 7.6 2186.4 528.3 7.7 2106.5 738.3 7.8 207.76.6 676.3 7.9 211.36.7 353.7 8 217此图得出了第一级衍射角谱，由图知 形成的角度为 7.4。 形成的角度为 6.6。 ，经过布拉K K格公式计算得到： K=72.6433 pmK=64.

24、8269 pm（2）边吸收（edge absorption） / /1 / /15.5 89.3 6.8 375.6 77 6.9 425.7 74.3 7 65.75.8 66.7 7.1 194.35.9 62 7.2 759.76 63 7.3 1045.76.1 52.7 7.4 676.36.2 51.3 7.5 214.76.3 44 7.6 1336.4 69 7.7 133.76.5 74.3 7.8 127.76.6 56.3 7.9 112.76.7 37 8 105从图中可以看出 谱线被吸收掉，只剩下 谱线，说明 Zr 对 谱线有吸收功能。（4）X 射线的康普顿效应 =50=9.5811=1.41712=0.8871=0.26711=10=0.1235 2=20=0.0666根据： （ ， ）=( 100) =7.6=2.75得：,1=62.5512 2=68.7214波长的漂移量为=21=6.2002理论漂移量：（康普顿波长 ）=21=0(1cos) =0=2.43=4.4207六、实验预习题七、实验总结（自己写）