X射線系列實驗實驗報告

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上南昌大學(xué)物理實驗報告課程名稱： 近代物理實驗 實驗名稱： X射線系列實驗 學(xué)院： 專業(yè)班級： 學(xué)生姓名： 學(xué)號： 實驗地點： 實驗時間： 實驗一：X射線在NaCl單晶中的衍射一、實驗?zāi)康模?）了解X射線的產(chǎn)生、特點和應(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）研究X射線在NACL單晶體上的衍射，并通過測量X射線特征譜線的衍射角測定X射線的波長。二、實驗原理1.X射線的產(chǎn)生和X射線的光譜實驗中通常使用X光管來產(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)高壓電場加速后，高速運動的電子轟擊由金屬做成的陽極靶時，靶就發(fā)射X射線。發(fā)射出的X射線

2、分為兩類：（1）如果被靶阻擋的電子的能量不越過一定限度時，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)電子的能量超過一定的限度時，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，這就是為什么稱之為“特征”的原因。（1）連續(xù)光譜。連續(xù)光譜又稱為“白色”X射線，包含了從短波限m開始的全部波長，其強(qiáng)度隨波長變化連續(xù)地改變。從短波限開始隨著波長的增加強(qiáng)度迅速達(dá)到一個極大值，之后逐漸減弱，趨向于零（圖1-1）。連續(xù)光譜的短波限m只決定于X射線管的工作高壓。圖1-1X射線管

3、產(chǎn)生的X射線的波長譜（2）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)層電子會被轟出，使原子處于能級較高的激發(fā)態(tài)。圖2-1-2b表示的是原子的基態(tài)和K,L,M,N等激發(fā)態(tài)的能級圖，K層電子被轟出稱為K激發(fā)態(tài)，L層電子被轟出稱為L激發(fā)態(tài)，依次類推。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，從而使原子能級降低，多余的能量便以光量子的形式輻射出來。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層躍遷時放出的能量各不相同，產(chǎn)生的一系列輻射統(tǒng)稱為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

4、產(chǎn)生的一系列輻射統(tǒng)稱為L系輻射，依次類推?；谏鲜鰴C(jī)制產(chǎn)生的X射線，其波長只與原子處于不同能級時發(fā)生電子躍遷的能級差有關(guān)，而原子的能級是由原子結(jié)構(gòu)決定的。圖1-2元素特征X射線的激發(fā)機(jī)理2.X射線在晶體中的衍射圖1-3NaCl晶體中氯原子與鈉原子的排列結(jié)構(gòu)光波經(jīng)過狹縫將產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。狹縫的大小必須與光波的波長同數(shù)量級或更小。對X射線，由于它的波長在0.2nm的數(shù)量級，要造出相應(yīng)大小的狹縫觀察X射線的衍射，就相當(dāng)困難。馮·勞厄首先建議用晶體這個天然的光柵來研究X射線的衍射，因為晶體的晶格正好與X射線的波長屬于同數(shù)量級。圖1-3顯示的是NaCl晶體中氯離子與鈉離子的排列結(jié)構(gòu)。下面討論X射

5、線打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射線與晶面相交角時，假定晶面就是鏡面（即布拉格面，入射角與出射角相等），那么容易看出，圖中兩條射線1和2的光程差是AC+DC，即2dsin。當(dāng)它為波長的整數(shù)倍時（假定入射光為單色的，只有一種波長）2dsin=n,n=1,2,3.布拉格（Bragg）公式在方向射出的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)根據(jù)布拉格公式，既可以利用已知的晶體（d已知）通過測角來研究未知X射線的波長；也可以利用已知X射線（已知）來測量未知晶體的晶面間距。三、實驗裝置本實驗使用X射線實驗儀如圖1-5所示。該裝置分為三個工作區(qū)：中間是X光管

6、區(qū)，是產(chǎn)生X射線的地方；右邊是實驗區(qū)；左邊是監(jiān)控區(qū)。X光管的結(jié)構(gòu)如圖16所示。它是一個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，工作時加以幾萬伏的高壓。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。圖1-5X射線實驗儀圖1-6X光管右邊的實驗區(qū)可安排各種實驗。A1是X光的出口。A2是安放晶體樣品的靶臺。A3是裝有GM計數(shù)管的傳感器，它用來探測X光的強(qiáng)度。A2和A3都可以轉(zhuǎn)動，并可通過測角器分別測出它們的轉(zhuǎn)角。左邊的監(jiān)控區(qū)包括電源和各種控制裝

7、置。B1是液晶顯示區(qū)。B2是個大轉(zhuǎn)盤，各參數(shù)都由它來調(diào)節(jié)和設(shè)置。B3有五個設(shè)置按鍵，由它確定B2所調(diào)節(jié)和設(shè)置的對象。B4有掃描模式選擇按鍵和一個歸零按鍵。SENSOR傳感器掃描模式；COUPLED耦合掃描模式，按下此鍵時，傳感器的轉(zhuǎn)角自動保持為靶臺轉(zhuǎn)角的2倍（如圖17）B5有五個操作鍵，它們是：RESET；REPLAY；SCAN（ON/OFF）；是聲脈沖開關(guān)；HV（ON/OFF）鍵是X光管上的高壓開關(guān)。圖1-7COUPLED模式下靶臺和傳感器的角位置四、實驗內(nèi)容鉬原子的X特征譜線（1）將NaCl放置在靶臺上。操作時，必須戴一次性手套，首先將鎖定桿逆時針轉(zhuǎn)動，靶臺鎖定解除，把NaCL樣品（平板）

8、輕輕放在靶臺上，向前推到底后將靶臺輕輕向上抬起，確保樣品被支架上的凸楞壓住；最后順時針輕輕轉(zhuǎn)動鎖定桿，使靶臺鎖定。（2）設(shè)置工作參數(shù)。高壓U=30kV，發(fā)射電流I=1mA，t=6s，=0.1分別按COUPLED和 limits鍵設(shè)置靶的下限為2.5°，上限為25°。啟動管高壓HV（ON/OFF），按SCAN啟動測量。（3）記錄實驗結(jié)果。測量結(jié)束后，調(diào)出程序中的setting對話框（F5），輸入NaCl的d值（d=282.01pm），此時圖的橫坐標(biāo)由掠射角自動轉(zhuǎn)變?yōu)椴ㄩL（pm）。記錄各級衍射峰的中心值（k），（k），并求出其平均值。五、實驗數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理（1）X射線在NaCl

9、晶體中的衍射數(shù)據(jù)表及示意圖/°R/s-1/°R/s-1/°R/s-1/°R/s-1/°R/s-1/°R/s-12.57.86.3312.710.199.513.95717.736.521.524.52.612.76.4467.710.287.81459.817.829.721.619.22.79.76.5671.810.389.214.158.217.932.321.721.82.812.56.6630.810.485.314.254.21828.521.820.82.910.86.7347.710.584.214.359.718.1

10、29.721.925.5312.56.8280.210.685.514.45918.22822263.19.86.9266.210.77814.576.718.332.722.136.73.27.87268.310.872.814.6241.518.426.222.285.23.312.57.1301.810.972.814.7378.318.533.222.3104.83.411.27.2800.71171.214.8300.518.627.322.474.53.511.87.31483.211.169.314.9112.718.727.222.5493.611.27.41437.811.2

11、68154918.829.522.623.23.714.87.5466.211.366.215.142.718.92622.720.53.8317.6221.711.47215.246.51928.322.8193.989.27.7199.711.568.315.349.319.128.322.919.54162.77.8190.711.661.515.450.719.227.22319.24.1228.87.919411.758.815.54419.332.223.120.74.2271.58182.811.861.315.646.519.431.223.2184.3321.38.1176.

12、711.957.315.74019.528.523.318.74.4342.38.2177.51253.215.84019.637.223.417.24.5355.28.3175.512.154.515.943.319.749.323.5164.6380.38.4160.712.254.3164919.851.523.615.34.7395.58.5157.712.362.216.141.819.93123.715.74.8406.58.6152.212.459.216.240.82025.523.816.84.9418.38.7156.812.551.716.338.820.123.523.

13、916.55395.38.8147.812.66216.438.220.222.324155.1408.38.9140.512.768.816.53920.322.824.1155.2407.29132.812.88416.637.520.420.724.216.75.3391.59.1129.812.990.516.737.320.519.724.316.85.4378.79.2124.213144.216.837.820.625.724.418.25.5379.29.3117.313.1140.516.934.720.718.824.515.75.6371.89.411713.286.81

14、737.820.824.224.614.75.7363.89.5109.713.36217.136.520.922.524.716.35.83459.6111.513.462.217.233.32123.224.816.75.9346.79.797.213.558.317.333.521.120.724.9126316.39.8100.313.657.817.433.721.221.22517.76.1309.29.997.713.754.217.531.321.321.26.2306.7109513.858.317.631.221.421X射線在NaCl晶體的布拉格衍射示意圖根據(jù)布拉格（Br

15、agg）公式（其中d=282.01pm）2dsin=n,n=1,2,3.級數(shù)n掠射角/°波長/pm17.371.66706.563.8489214.771.562313.063.4384322.371.340319.863.6850得：=1+2+33=71.5232pm=1+2+33=63.6574pm實驗二：X射線的康普頓效應(yīng)一、實驗?zāi)康模?）通過X-射線在NaCl晶體上的第一級衍射認(rèn)識鉬陽極射線管的能譜，了解Edge absorption。（2）驗證X光子康普頓的波長漂移。二、實驗原理康普頓效應(yīng)：1923年，美國物理學(xué)家Compton發(fā)現(xiàn)被散射體散射的X射線的波長的漂移，并將原因

16、歸結(jié)為X射線的量子本質(zhì)。他解釋這種效應(yīng)是一個X光量子和散射物質(zhì)的一個電子發(fā)生碰撞，其中X光量子的能量發(fā)生了改變，他的一比分動能轉(zhuǎn)移給了電子。E=hc式中，h為普朗克常數(shù)；c為光速；為波長。在碰撞中，能量和動量守恒。碰撞前，電子可以認(rèn)為是靜止的。碰撞后電子的速度為，1和2是X光量子散射前后的波長，依據(jù)相對論的能量守恒的公式表述可以得到：hc1+m0c2=hc2+m0c21-c2式中m0為電子的質(zhì)量。X光量子的動量為p=h動量守恒導(dǎo)致h2cos+m01-c2cos=h1h2sin+m01-c2sin=0，：碰撞角度（見圖2-1）圖2-1康普頓散射示意圖最終波長的改變量為2-1=hm0c1-cos常

17、數(shù)hm0c=2.43pm定義為康普頓波長c。圖2-2透射率和波長的關(guān)系本實驗是利用一個銅箔來證明波長漂移現(xiàn)象的存在。R.W.Pohl研究了銅箔的透射系數(shù)TCu會隨著X光子的波長變化（見圖2-2），故由于康普頓散射而導(dǎo)致的X光子坡長的漂移就變現(xiàn)在透射率和計數(shù)率的改變。波長與銅箔的透射率見的關(guān)系可以用公式表述為：TCu=e-a100pmn其中=7.6，n=2.75實驗的開始是記錄被鋁散射的X光子的無衰減時的計數(shù)率R1, R2。因為計數(shù)率低，故背景輻射R也要考慮。則透射率是：T1=R1-RR0-R和T2=R2-RR0-R由此得到X光子的平均波長1，2。根據(jù)公式得到波長的漂移為=2-1三、實驗內(nèi)容1.

18、鉬原子的X特征譜線（1）將NaCl放置在靶臺上。操作時，必須戴一次性手套，首先將鎖定桿逆時針轉(zhuǎn)動，靶臺鎖定解除，把NaCl樣品（平板）輕輕放在靶臺上，向前推到底后將靶臺輕輕向上抬起，確保樣品被支架上的凸楞壓??；最后逆時針輕輕轉(zhuǎn)動鎖定桿，是靶臺鎖定。（2）設(shè)置工作參數(shù)。高壓30kV，發(fā)射電流I=1mA,t=3s,=0.1分別按COUPLED和limits鍵設(shè)置靶的下限為5.5°，上限為8°啟動高壓管HV（ON/OFF），按下SCAN啟動測量。（3）記錄實驗結(jié)果。測量結(jié)束后，輸入NaCl的d值（d=282.01pm），此時圖的橫坐標(biāo)由掠射角自動轉(zhuǎn)變?yōu)椴ㄩL（pm）。2.邊吸收（e

19、dge 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：該儀器實驗區(qū)的空間較小，而準(zhǔn)直器的安裝位較深，拔出時不要用力過猛，以免撞到放置樣品的靶臺。（2）實驗設(shè)置和步驟如上。（3）記錄衍射峰峰值，并和實驗1的結(jié)果比較。3.X射線的康普頓效應(yīng)（1）將靶臺上的NaCl樣品換成實驗提供的鋁塊。（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145°。（3）設(shè)置管高壓U=30kV，反射電流I=1.00mA。角的步進(jìn)寬度=0.0°。）無銅濾波器。設(shè)定測量時間t=60s，使用H

20、V（ON/OFF）、SCAN鍵啟動測量。當(dāng)測量時間結(jié)束時，按REPLAY體的前面。將銅濾波器按裝在準(zhǔn)直器的出口，測量時間升至t=600s后，實驗步驟同），該計數(shù)率標(biāo)為R0。）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，測量時間升至t=600s后，實驗步驟同），該計數(shù)率標(biāo)為R1。）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，測量時間為t=600s，實驗步驟同），該計數(shù)率標(biāo)為R2。）背景效應(yīng)。取下銅濾波器，設(shè)定發(fā)射電流I=，測量時間為t=600s，實驗步驟同），該計數(shù)率標(biāo)為R。）數(shù)據(jù)計算及實驗結(jié)果分析。依據(jù)實驗原理中的相關(guān)公式計算其波長漂移量，并與康普頓散射的理論值相比。四、實驗數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理（1）鉬原子的X特征譜線/°R/s-1/°R/s-15.5419.76.8284.75.6415.36.9290.75.73747280.35.83687.1318.35.9368.77.288163387.