X射線系列實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、穿昌大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱(chēng)：近代物理實(shí)實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)：x射線系列實(shí)驗(yàn)學(xué)院：專(zhuān)業(yè)班級(jí)：學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：實(shí)驗(yàn)時(shí)間：實(shí)驗(yàn)一：x射線在nacl單晶中的衍射一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1) 了解x射線的產(chǎn)生、特點(diǎn)和應(yīng)用。(2) 了解x射線管產(chǎn)生連續(xù)x射線譜和特征譜的基本原理。(3) 研宄x射線在nacl單品體上的衍射，并通過(guò)測(cè)量x射線特征譜線的衍射角測(cè)定x射線的波 長(zhǎng)。二、實(shí)驗(yàn)原理1. x射線的產(chǎn)生和x射線的光譜實(shí)驗(yàn)中通常使用x光管來(lái)產(chǎn)生x射線。在抽成真空的x光管內(nèi)，當(dāng)由熱陰極發(fā)出的電子經(jīng)高 壓電場(chǎng)加速后，高速運(yùn)動(dòng)的電子轟擊由金屬做成的陽(yáng)極靶時(shí)，靶就發(fā)射x射線。發(fā)射出的x射線 分為兩類(lèi).(1)如果被靶阻擋的電子的能量不越

2、過(guò)一定限度時(shí)，發(fā)射的是連續(xù)光譜的輻射。這種 輻射叫做軔致輻射。(2)當(dāng)電子的能量超過(guò)一定的限度時(shí)，可以發(fā)射一種不連續(xù)的、只有幾條特 殊的譜線組成的線狀光譜，這種發(fā)射線狀光譜的輻射叫做特征輻射。連續(xù)光譜的性質(zhì)和靶材料無(wú) 關(guān)，而特征光譜和靶材料有關(guān)，不同的材料有不同的特征光譜，這就是為什么稱(chēng)之為“特征”的 原因。(1) 連續(xù)光譜。連續(xù)光譜又稱(chēng)為“g色” x射線，包含了從短波限am開(kāi)始的全部波長(zhǎng)，其 強(qiáng)度隨波長(zhǎng)變化連續(xù)地改變。從短波限開(kāi)始隨著波長(zhǎng)的增加強(qiáng)度迅速達(dá)到一個(gè)極大值，之后逐漸 減弱，趨向于零(圖1-1)。連續(xù)光譜的短波限am只決定于x射線管的工作高壓。圖1-1x射線管產(chǎn)生的x射線的波長(zhǎng)譜(2

3、) 特征光譜。陰極射線的電子流轟擊到靶面，如果能量足夠高，靶內(nèi)一些原子的內(nèi)層電子 會(huì)被轟出，使原子處于能級(jí)較高的激發(fā)態(tài)。圖2-l-2b表示的是原子的基態(tài)和k，l，m，n等激發(fā)態(tài)的 能級(jí)圖，k層電子被轟出稱(chēng)為k激發(fā)態(tài)，l層電子被轟出稱(chēng)為l激發(fā)態(tài)，依次類(lèi)推。原子的激發(fā)態(tài) 是不穩(wěn)定的，內(nèi)層軌道上的空位將被離核更遠(yuǎn)的軌道上的電子所補(bǔ)充，從而使原子能級(jí)降低，多 余的能量便以光量子的形式輻射出來(lái)。圖1-2 (a)描述了上述激發(fā)機(jī)理。處于k激發(fā)態(tài)的原子, 當(dāng)不同外層(l，m，n，層)的電子向k層躍遷時(shí)放出的能量各不相同，產(chǎn)生的一系列輻射統(tǒng)稱(chēng)為k 系輻射。同樣，l層是電子被轟出后，原子處于l激發(fā)態(tài)，所產(chǎn)生的一

4、系列輻射統(tǒng)稱(chēng)為l系輻射， 依次類(lèi)推?；谏鲜鰴C(jī)制產(chǎn)生的x射線，其波長(zhǎng)只與原子處于不同能級(jí)時(shí)發(fā)生電子躍遷的能級(jí)差有關(guān)，而原子的能級(jí)是由原子結(jié)構(gòu)決定的。(a)*(b)2. x射線在晶體中的衍射光波經(jīng)過(guò)狹縫將產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。狹縫的大 波長(zhǎng)同數(shù)量級(jí)或更小。對(duì)x射線，由于它的波 級(jí)，要造出相應(yīng)大小的狹縫觀察x射線的衍射, 馮勞厄首先建議用晶體這個(gè)天然的光柵來(lái)研 因?yàn)榫w的晶格正好與x射線的波長(zhǎng)屬于同數(shù) 的是nacl晶體中氯離子與鈉離子的排列結(jié)構(gòu)。 在這樣的晶格上所產(chǎn)生的結(jié)果。由圖1-4 （a）可知，當(dāng)入社x射線與晶面 晶面就是鏡而（即布拉格而，入射角與出射角 看出，圖中兩條射線1和2的光程差是瓦+沉, 長(zhǎng)

5、的整數(shù)倍時(shí)（假定入射光為單色的，只有一種波小必須與光波的 長(zhǎng)在0. 2nm的數(shù)量 就相當(dāng)困難。究x射線的衍射， 量級(jí)。圖1-3顯示 下面討論x射線打相交0角時(shí)，假定 3曰體中氯原子相等），那么容易 作列結(jié)構(gòu)即當(dāng)它為波長(zhǎng)）idsino = nafn = 1,2,3.布拉格（bragg）公式 在0方向射出的x射線即得到衍射加強(qiáng)。（a）（b）圖1-4 布拉格公式的推導(dǎo)三、實(shí)驗(yàn)裝 «vi根據(jù)布拉格公式，既可以利用已知的晶體（rf已知）通過(guò)測(cè)0角來(lái)研宄未知x射線的波長(zhǎng)；也 可以利用已知x射線u己知）來(lái)測(cè)量未知晶體的晶面間距。本實(shí)驗(yàn)使用x射線實(shí)驗(yàn)儀如圖1-5所示。該裝置分為三個(gè)工作區(qū)：屮間是x光

6、管區(qū)，是產(chǎn)生x射線的地方；右邊是實(shí)驗(yàn)區(qū)；左邊是監(jiān) 控區(qū)。x光管的結(jié)構(gòu)如圖1 一6所示。它是一個(gè)抽成高真空的石英管，其下面（1）是接地的電子發(fā)射 極，通電加熱后可發(fā)射電子；上面（2）是鉬靶，工作時(shí)加以幾萬(wàn)伏的高壓。電子在高壓作用下轟 擊鉬原子而產(chǎn)生x射線，鉬靶受電子轟擊的面呈斜面，以利于x射線向水平方向射出。（3）是銅 塊，（4）是螺旋狀熱沉，用以散熱。（5）是管腳。監(jiān)控rx光管文驗(yàn)區(qū)b3ao a1 a2 a3 a4圖1-5 x射線實(shí)驗(yàn)儀右邊的實(shí)驗(yàn)區(qū)可安排各種實(shí)驗(yàn)。a1是x光的出1_1。八2是安放晶體樣品的靶臺(tái)。a3是裝有g(shù)m計(jì)數(shù)管的傳感器，它用來(lái)探測(cè)x光的 a2和a3都可以轉(zhuǎn)動(dòng)，并可通過(guò)測(cè)角器

7、分別測(cè)出它們 監(jiān)控區(qū)括電源和各種控制裝置。b1是液晶顯不區(qū)。b2是個(gè)大轉(zhuǎn)盤(pán)，各參數(shù)都由它來(lái)調(diào)節(jié)和設(shè)置。b3有五個(gè)設(shè)置按鍵，由它確定b2所調(diào)節(jié)和設(shè)置的對(duì) b4有掃描模式選擇按鍵和一個(gè)歸零按鍵。sensor傳 couple耦合掃描模式，按下此鍵時(shí)，傳感器的轉(zhuǎn)角 轉(zhuǎn)角的2倍(如圖1 一7)b5有五個(gè)操作鍵,它們是:reset； replay； scan 脈沖開(kāi)關(guān)；hv (on/off)鍵是x光管上的高壓開(kāi)關(guān)。強(qiáng)度。的轉(zhuǎn)角。左邊的象。感器掃描模式；自動(dòng)保持為靶臺(tái)(on/off);是聲ui實(shí)驗(yàn)內(nèi)容鉬原子的x特征譜線(1)將nacl放置在靶臺(tái)上。操作時(shí)，必須戴一次性手套，首先將鎖定桿逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，靶臺(tái) 鎖定

8、解除，把nacl樣品(平板)輕輕放在靶臺(tái)上，向前推到底后將靶臺(tái)輕輕向上抬起，確保樣品 被支架上的凸愣壓??；最后順時(shí)針輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)鎖定桿，使靶臺(tái)鎖定。.(2) 設(shè)置工作參數(shù)。高壓(7 = 30/ck,發(fā)射電流/ = lmaf at = 6s, ap=o. 1分別按coupled 和p limits鍵設(shè)置靶的下限為2. 5°,上限為25°。啟動(dòng)管高壓hv (on/off),按scan啟動(dòng)測(cè)量。(3) 記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。測(cè)量結(jié)束后，調(diào)出程序屮的sotting對(duì)話框(f5)，輸入nacl的d值 (d = 282.01pm),此時(shí)閣的橫坐標(biāo)由掠射角0自動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)椴ㄩL(zhǎng)a (pm)。記錄各級(jí)衍射峰

9、的中心值 (入(ka), a (kp),并求出其平均值。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理(1) x射線在nacl品體屮的衍射數(shù)據(jù)表及示意圖0/°r/s-1e/°r/s-1e/°r/s"10/°r/s-1e/°r/s"10/°r/s-12.57.86.3312.710.199.513.95717.736.521.524.52.612.76.4467.710.287.81459.817.829.721.619.22.79.76.5671.810.389.214.158.217.932.321.721.82.812.56.6630

10、.810.485.314.254.21828.521.820.82.910.86.7347.710.584.214.359.718.129.721.925.5312.56.8280.210.685.514.45918.22822263.19.86.9266.210.77814.576.718.332.722.136.73.27.87268.310.872.814.6241.518.426.222.285.23.312.57.1301.810.972.814.7378.318.533.222.3104.83.411.27.2800.71171.214.8300.518.627.322.474.5

11、3.511.87.31483.211.169.314.9112.718.727.222.5493.611.27.41437.811.268154918.829.522.623.23.714.87.5466.211.366.215.142.718.92622.720.53.8317.6221.711.47215.246.51928.322.8193.989.27.7199.711.568.315.349.319.128.322.919.54162.77.8190.711.661.515.450.719.227.22319.24.1228.87.919411.758.815.54419.332.2

12、23.120.74.2271.58182.811.861.315.646.519.431.223.2184.3321.38.1176.711.957.315.74019.528.523.318.74.4342.38.2177.51253.215.84019.637.223.417.24.5355.28.3175.512.154.515.943.319.749.323.5164.6380.38.4160.712.254.3164919.851.523.615.34.7395.58.5157.712.362.216.141.819.93123.715.74.8406.58.6152.212.459

13、.216.240.82025.523.816.84.9418.38.7156.812.551.716.338.820.123.523.916.55395.38.8147.812.66216.438.220.222.324155.1408.38.9140.512.768.816.53920.322.824.1155.2407.29132.812.88416.637.520.420.724.216.75.3391.59.1129.812.990.516.737.320.519.724.316.85.4378.79.2124.213144.216.837.820.625.724.418.25.537

14、9.29.3117.313.1140.516.934.720.718.824.515.75.6371.89.411713.286.81737.820.824.224.614.75.7363.89.5109.713.36217.136.520.922.524.716.35.83459.6111.513.462.217.233.32123.224.816.75.9346.79.797.213.558.317.333.521.120.724.9126316.39.8100.313.657.817.433.721.221.22517.76.1309.29.997.713.754.217.531321.

15、321.26.2306.7109513.858.317.631.221.421根據(jù)布拉格（bragg）公式（其中d = 282.01pm）2dsind = na, n = 1,2,3."級(jí)數(shù)n掠射角e/°波長(zhǎng)入/pm1a7.371.6670p6.563.84892a14.771.5623p13.063.43843a22.371.3403p19.863.6850得：入a =（人zi + 么2 + 么3）/3 = 71.5232pm入/? = （a/?i + 乂+ 3）/3 = 63.6574pm實(shí)驗(yàn)二：x射線的康普頓效應(yīng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1) 通過(guò)x-射線在nacl品體上的第一級(jí)

16、術(shù)射認(rèn)識(shí)相陽(yáng)極射線管的能譜，了解edge absorption。(2) 驗(yàn)證x光子康普頓的波長(zhǎng)漂移。二、實(shí)驗(yàn)原理康普頓效應(yīng)：1923年，美國(guó)物理學(xué)家compton發(fā)現(xiàn)被散射體散射的x射線的波長(zhǎng)的漂移，并 將原因歸結(jié)為x射線的量子本質(zhì)。他解釋這種效應(yīng)是一個(gè)x光量子和散射物質(zhì)的一個(gè)電子發(fā)生碰 撞，其中x光量子的能量發(fā)生了改變，他的一比分動(dòng)能轉(zhuǎn)移給了電子。式中，h為普朗克常數(shù)；c為光速；a為波長(zhǎng)。在碰撞中，能量和動(dòng)量守恒。碰撞前，電子可以認(rèn)為是靜止的。碰撞后電子的速度為u,人和 乂2是x光量子散射前后的波長(zhǎng)，依據(jù)相對(duì)論的能量守恒的公式表述可以得到：式中mq為電子的質(zhì)量。x光量子的動(dòng)量為動(dòng)量守恒導(dǎo)致0

17、,(p：碰撞角度(見(jiàn)圖2-1)最終波長(zhǎng)的改變量為22 -人=（1 一 cos 0）常數(shù)念c = 2.43pm定義為康普頓波長(zhǎng)ae。本實(shí)驗(yàn)是利用一個(gè)銅箔來(lái)證明波長(zhǎng) 存在。r. w. pohl研宄了銅箔的透射系數(shù) 光子的波長(zhǎng)變化（見(jiàn)圖2-2）,故由于康 導(dǎo)致的x光子坡長(zhǎng)的漂移就變現(xiàn)在透射 的改變。波長(zhǎng)與銅箔的透射率見(jiàn)的關(guān)系可以 為：eal00pm)tcu =其屮（x = 7.6, n = 2.75實(shí)驗(yàn)的開(kāi)始是記錄被鋁散射的x光漂移現(xiàn)象的 會(huì)隨著x齊頓散射而 率和計(jì)數(shù)率用公式表述子的無(wú)衰減時(shí)的計(jì)數(shù)率仏，/?2。因?yàn)橛?jì) 數(shù)率低，故背景輻射也要考慮。則透射率是:rq-r和r2 =r2-rrq-r由此得到

18、x光子的平均波長(zhǎng)人，a2。根據(jù)公式得到波長(zhǎng)的漂移為入=義2 義1三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 鉬原子的x特征譜線(1) 將nacl放置在靶臺(tái)上。操作時(shí)，必須戴一次性手套，首先將鎖定桿逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，靶臺(tái) 鎖定解除，把nacl樣品(平板)輕輕放在靶臺(tái)上，向前推到底后將靶臺(tái)輕輕向上抬起，確保樣品 被支架上的凸愣壓??；最后逆時(shí)針輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)鎖定桿，是靶臺(tái)鎖定。(2) 設(shè)置工作參數(shù)。高壓30kv,發(fā)射電流i = 1ma, at = 3s, ap = 0.1分別按coupled和piiniits 鍵設(shè)置靶的t限為5. 5°,上限為8°啟動(dòng)高壓管hv (on/off)，按下scan啟動(dòng)測(cè)量。(3) 記錄實(shí)

19、驗(yàn)結(jié)果。測(cè)量結(jié)束后，輸入nacl的d值(d = 282.01pm)，此時(shí)圖的橫坐標(biāo)由掠 射角0自動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)椴ㄩL(zhǎng)a (pm)。2. 邊吸收(edge absorption)(1) 戴一次性手套，將zr濾波器安裝在準(zhǔn)直器的出口端，注意：該儀器實(shí)驗(yàn)區(qū)的空間較小， 而準(zhǔn)直器的安裝位較深，拔出時(shí)不要用力過(guò)猛，以免撞到放罝樣品的靶臺(tái)。(2) 實(shí)驗(yàn)設(shè)置和步驟如上。(3) 記錄衍射峰峰值，并和實(shí)驗(yàn)1的結(jié)果比較。3. x射線的康普頓效應(yīng)(1) 將靶臺(tái)上的nacl樣品換成實(shí)驗(yàn)提供的鋁塊。(2) 按下target,使用adjust鈕調(diào)節(jié)靶的角度到20°。按下sensor,用adjust鈕調(diào)節(jié)傳感 器的角度到

20、145°。(3) 設(shè)置管高壓(7 = 30/cl/，反射電流/ = l.oom/1。角的步進(jìn)寬度/? = 0.0°。1)無(wú)銅濾波器。設(shè)定測(cè)量吋間2 = 605，使用hv (on/off)、scan鍵啟動(dòng)測(cè)量。當(dāng)測(cè)量吋 間結(jié)束時(shí)，按replay體的前面。將銅濾波器按裝在準(zhǔn)直器的出口，測(cè)量時(shí)間升至心=600s后， 實(shí)驗(yàn)步驟同1 )，該計(jì)數(shù)率標(biāo)為仏。2 )銅濾波器放在鋁散射體的前面。將銅濾波器按裝在準(zhǔn)直器的出口，測(cè)量時(shí)間升至at = 600s 后，實(shí)驗(yàn)步驟同1 ),該計(jì)數(shù)率標(biāo)為仏。3)銅濾波器放在鋁散射體的后面。將銅濾波器按裝在傳感器上，測(cè)量吋間為=6003,實(shí)驗(yàn) 步驟同1 )，該計(jì)數(shù)率標(biāo)為/?2。4 )背景效應(yīng)。取下銅濾波器，設(shè)定發(fā)射電流1=0 ,測(cè)量時(shí)間為= 600s，實(shí)驗(yàn)步驟同1 )， 該計(jì)數(shù)率標(biāo)為/?。5)數(shù)據(jù)計(jì)算及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。依據(jù)實(shí)驗(yàn)原理中的相關(guān)公式計(jì)算其波長(zhǎng)漂移量，并與康普頓 散射的理論值相比。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理(1)鉬原子的x特征譜線此圖得fli了第一級(jí)衍射角譜，由圖知么形成的角度為7.4。形成的角度為6.6。，經(jīng)過(guò)布拉格公式計(jì)算得到: ka = 72.6433 pm kp = 64.8269 pme/°r/s -10/°r/s-15.5419.76.82