X射線實驗報告

1、X射線的吸收和單晶布拉格衍射及其能譜特性研究實驗實驗報告姓名：任宇星 班級：F1407204（致遠(yuǎn)物理） 學(xué)號：5140729003指導(dǎo)老師：葉慶好 實驗日期：2016.4.1一、 實驗?zāi)康?. 初步了解X射線的產(chǎn)生、基本性質(zhì)；2. 觀察X射線影像； 3. 研究X射線的衰減與吸收體厚度的關(guān)系； 4. 研究X射線的衰減與吸收體材料的關(guān)系二、 實驗內(nèi)容1實驗研究X射線衰減與吸收體物質(zhì)材料厚度和吸收體材料的關(guān)系，并分析實驗結(jié)果。2測定 NaCl 單晶的X射線布拉格衍射譜。3研究杜紅昆特關(guān)系，測定普朗克常數(shù)，并分析實驗結(jié)果。4研究X射線的邊緣吸收，分析解釋實驗現(xiàn)象。三、 實驗儀器X射線管，NaCl晶體

2、，吸收體樣品，Zr濾罩四、 實驗原理1、研究X射線的衰減與吸收體厚度的關(guān)系理論上透射強度R= R0e-xX射線衰減與吸收體物質(zhì)材料厚度的關(guān)系滿足Lambert定律，即透射率T隨吸收體物質(zhì)材料厚度的增大，呈指數(shù)衰減。T=e-x 或 lnT=-x其中T為透射率，為透射前計數(shù)和透射后計數(shù)的比值，為衰減系數(shù)，x為材料厚度。不同厚度的吸收樣品置于同一圓弧狀底片上，中心間距10°，（0°處厚度為0）則對準(zhǔn)第一個中心位置，設(shè)置好儀器參數(shù)不變，逐次將底片旋轉(zhuǎn)10°，記下透射強度（各角度均測100秒透射計數(shù)平均值），即可得到X射線的衰減與吸收體厚度的關(guān)系。再加上Zr濾罩，每個位置取

3、300s計數(shù)平均值，重復(fù)實驗。2、研究X射線的衰減與吸收體物質(zhì)的關(guān)系與上實驗裝置類似，不同材料的吸收片間隔排列，依次旋轉(zhuǎn)底片即得X射線的衰減與吸收體材料的關(guān)系。3、測定NaCl 單晶的X射線布拉格衍射譜 布拉格衍射公式:n=2dsin其中d為晶面間距，n為衍射級數(shù)，為入射波波長。將NaCl單晶置于X射線管中，等時間間隔旋轉(zhuǎn)一定角度。測得各角度下的衍射強度即得其布拉格衍射譜。已知的初級衍射角為7.2度，將樣品臺和探測頭調(diào)整至0點，在2度至25度之間掃描，即可得到NaCl單晶的布拉格衍射譜。4、研究杜紅昆特關(guān)系，測定普朗克常數(shù)X光子能量關(guān)系:Emax=eU=h max則：max=eUhmin=cm

4、ax=hce1U即最小波長和電壓的倒數(shù)成正比。故測得min即可計算普朗克常量h.用已有的程序進行計算波長的值：=2dsin其中d=282.01pm，由此可以得到R關(guān)于波長的曲線5、研究X射線的邊緣吸收材料吸收X射線時，對某些波長的X光會出現(xiàn)透射率的突變：對應(yīng)頻率稱邊緣頻率。實驗中，用同樣的材料作為x射線發(fā)射管，發(fā)射出兩個波長的射線，峰值分別為和，兩個波長滿足關(guān)系：=hcEk-EL =hcEk-EM我們測定某特定材料的吸收系數(shù)。設(shè)定U = 30.0 kV I = 1.00 mA，從4.2度到8.3度每0.1度取一個數(shù)據(jù)點，得到一條吸收。加上Zr濾罩，重復(fù)實驗，得到稍低的另一條曲線。測量各峰值面積

5、，代入下方公式計算的輻射特征：五、實驗數(shù)據(jù)及處理1、研究X射線的衰減與吸收體厚度的關(guān)系（U=22.0kV,I=0.20mA）無Zr濾罩樣品轉(zhuǎn)過角度/°R/S-1厚度x/mm透射率TlnT04615.4010102843.620.50.6161160.484321201833.9810.3973610.92291301214.421.50.2631231.33513240767.0520.1661941.79460250571.682.50.1238642.08857460359.0130.0777852.553804有Zr濾罩樣品轉(zhuǎn)過角度/°R/S-1厚度x/mm透射率Tl

6、nT02081.65010101143.20.50.54918-0.5993320645.0310.309865-1.1716230375.331.50.180304-1.7131140204.3220.098153-2.3212350141.22.50.067831-2.690746082.8830.039815-3.22352實驗軟件所得曲線無Zr濾罩無Zr濾罩有Zr濾罩無Zr濾罩T-x、LnT-x關(guān)系如下圖所示：根據(jù)Origin擬合，衰減系數(shù)為：(無Zr) =8.3869+0.1898/mm-1,u=2.26% (有Zr) =10.7164+0.2719/mm-1,u=2.54%可以看到

7、與理論上呈指數(shù)衰減的規(guī)律吻合得較好。2、研究X射線的衰減與吸收體材料的關(guān)系參數(shù)設(shè)置：0°、10°(C)、20°（Al）：U=30.0kV,I=0.02mA,t=30s；30°(Zr)、40°(Fe)、50°(Ag)、60°(Cu)：U=30.0kV,I= 1.00Ma,t=300s；背景：U=0 kV,I=1.0mA,t=300s樣品轉(zhuǎn)過角度/°原子序數(shù)Z材料R/S-1吸收率T-lnT有Zr無Zr有Zr無Zr無Zr有Zr00無1999.07897.831100106C1920.97869.770.9609320.9

8、687470.0317520.0398522013Al1360.6545.730.6806160.6078320.3847560.4978563040Zr517.987204.480.2591140.2277491.3504871.4795114026Fe114.19744.30.0571250.0493412.8625123.0089965047Ag334.123132.750.1671390.1478561.7889281.9115136029Cu54.5818.030.0273030.0200823.600773.907944(背景所得吸收強度為:0.67)又因為材料厚度為0.5mm,故

9、算得材料的衰減系數(shù)如下表：原子序數(shù)Z材料衰減系數(shù)（cm-1）無Zr有Zr0無006C0.6350390.79703613Al7.6951269.95712840Zr27.0097429.5902126Fe57.2502560.1799247Ag35.7785638.2302629Cu72.015478.15887衰減系數(shù)隨原子序數(shù)變化關(guān)系為：3、測定 NaCl 單晶的X射線布拉格衍射譜調(diào)節(jié)儀器接受衍射的角度，依次從2°至25°，所得衍射譜如下：（U=35.0 kV,I=1mA）根據(jù)軟件采集的數(shù)據(jù)表可以讀出：衍射角級數(shù)n/°K-譜線衍射角K-譜線衍射角16.47.2

10、212.914.6319.622.1理論上譜線波長分別為：=71.08pm，=63.09pm則：實驗中衍射角與n關(guān)系為：衍射角Sinn6.40.111563.0912.90.2233126.1819.60.3355189.277.20.125371.0814.60.2521142.1622.10.3762213.24擬合得NaCl的晶格常數(shù)d=(282.7+0.8)pm,相對誤差為0.3%4、研究杜紅昆特關(guān)系，測定普朗克常數(shù)設(shè)定儀器參數(shù)為：測得曲線為：利用實驗軟件得到最小波長與電壓倒數(shù)的關(guān)系為：min(pm)1/U(1/V)34.128.5714335.129.4117637.331.2539

11、.933.3333342.935.7142946.138.4615449.941.6666754.545.45455斜率為k=1.20907pmV可以看到結(jié)果很符合杜紅昆特關(guān)系，即最小波長和電壓的倒數(shù)成正比。代入C=2.9979108m/s，e=1.6022210-19C得h=e/Ck=6.4610-34J·s,與理論值的相對誤差為2.5%5、研究X射線的邊緣吸收實驗軟件所得曲線為：算得峰的面積及輻射特征值如下：峰面積峰面積輻射特征值V有Zr濾罩42483.09969.80.0223無Zr濾罩48730.866846.60.1232可以看到Zr濾罩對X射線的輻射特征值V有明顯的減小作

12、用。六、對實驗現(xiàn)象的思考探究1、“探究X射線衰減率與吸收體厚度的關(guān)系”實驗中，從實驗曲線可以看到2.5mm厚度的吸收體明顯透射率偏大。分析：1）注意到樣品中2.5mm厚度的薄片位置與設(shè)定位置有偏差，角度偏大。可能因此而使樣品的邊緣對透射產(chǎn)生了影響，或有少量輻射從樣品間的縫隙逸出，使得接收器探測到的輻射偏大，故實驗測得透射率偏大。 2）可能由于探測器的測量及計算機的信號感應(yīng)存在誤差。2、吸收體厚度對X射線衰減率的影響1）X射線的衰減率與吸收體厚度成正相關(guān)。2）同一種材料，衰減系數(shù)一定。3、Zr濾罩對X射線衰減率的影響1）增加Zr濾罩后，衰減率明顯增加，衰減系數(shù)亦增加。2）吸收材料及濾罩材料不變，

13、衰減系數(shù)不變。 3）增加Zr濾罩對衰減率的增加程度與吸收樣品的材料無關(guān)。4、X射線衰減率與吸收樣品材料的原子序數(shù)Z的關(guān)系。 1）當(dāng)Z小于40（Zr）時，衰減系數(shù)隨Z的增大而快速增加 2）當(dāng)Z達(dá)到40時，衰減系數(shù)出現(xiàn)了突變，明顯變小3） 當(dāng)Z超過40后，衰減系數(shù)亦隨Z的增大逐漸增加，但速度較Z=40之前慢。 4）由此可以看出，X射線衰減率與吸收樣品材料的原子序數(shù)Z的關(guān)系并不是單一的函數(shù)關(guān)系，但是大體上呈正相關(guān)，具體關(guān)系與該X射線的譜線波段與本身特征有關(guān)。5、及探究X射線邊緣吸收的譜線中，除了明顯的譜線，下方存在明顯的先增加后減小的連續(xù)譜。分析：經(jīng)過查閱資料，可以判斷，這是韌致輻射所成譜線。 軔致輻射,又稱剎車輻射，原指高速運動的電子驟然減速時發(fā)出的輻射，后泛指帶電粒子與原子或原子核發(fā)生碰撞時突然減速發(fā)出的輻射。軔致輻射的X射線譜往往是連續(xù)譜，這是由于在作為把子的原子核電磁場作用下，帶電粒子的速度是連續(xù)變化的。軔致輻射的強度與靶核電荷的平方成正比，與帶電粒子質(zhì)量的平方成反比。因此重的粒子產(chǎn)生的軔致輻射往往遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電子的軔致輻射。1 因此，我們可以看到X射線邊緣吸收的譜線中，各個波長都有一定強度的射線，呈一個連續(xù)譜。至于其存在一個強度的極值，是因為材料內(nèi)電子的速度分布也是可以看成呈一個連續(xù)的峰狀分布的，故此連續(xù)譜亦有一個極值，又因為乘了衍射級數(shù)n，故極值有偏移，并非左右對稱。 類似