X射線在物質(zhì)中的衰減

X射線在物質(zhì)中的衰減目錄：摘要------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1關(guān)鍵詞---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1引言-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1實驗部分------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1理論與設(shè)計-----------------------------------------------------------------------------------------------------1-2實驗儀器-----------------------------------------------------------------------------------------------------------2實驗方法-----------------------------------------------------------------------------------------------------------2實驗過程及結(jié)論----------------------------------------------------------------------------------------------2-4討論-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------5小結(jié)-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------5致謝-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------5參考文獻------------------------------------------------------------------------------------------------------------------5摘要本文敘述了對X光在物質(zhì)中的衰減性質(zhì)的研究性實驗，分成散射和吸收兩部分，5個實驗循序漸進地對物理學(xué)界著名的相關(guān)定律及經(jīng)驗公式進行了驗證。主要采用了近似的方法，得到了較為準(zhǔn)確的結(jié)論。關(guān)鍵詞近代光學(xué)X光在物質(zhì)中的衰減散射和吸收驗證定律引言繼1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X射線后，人們對這種新電磁波進行了幾百年的研究，包括了x射線的產(chǎn)生原理，特殊的性質(zhì)以及近幾十年發(fā)展起來的x射線分析技術(shù)。新的X射線源和探測設(shè)備的相繼出現(xiàn)，相關(guān)理論、實驗方法的發(fā)展和多領(lǐng)域、高頻率的應(yīng)用，使這門古老的科學(xué)研究不斷地獲得新的生命并被人們所認(rèn)識。人們開始越來越察覺到X光的重要作用。實驗部分一、理論及設(shè)計對X射線在物質(zhì)中的衰減的研究涉及的定律有：康普頓效應(yīng)X射線被散射后，在散射波中不僅有波長不改變的部分，還有波長變長的部分出現(xiàn)。相應(yīng)的康普頓移動：QUOTEλk=h/mec(1-cosθ)QUOTE經(jīng)驗公式：TCu=exp[-a(λ/100pm)n]常數(shù)a=7.6,n=2.752.莫塞來定律QUOTEK殼層吸收邊界與原子序數(shù)的關(guān)系其中R為里德堡常數(shù)，σK為K殼層屏蔽系數(shù)（Z=30~60范圍內(nèi)可視為常數(shù)）3.朗伯定律I=I。exp(-μd)X射線在某種材料中的衰減所滿足的關(guān)系4.經(jīng)驗公式?=CZaλ3（C為常數(shù)）λ<λk時，a～3.94λk<λ<λL時，a～4.30根據(jù)實驗結(jié)果總結(jié)的公式，衰減系數(shù)與原子序數(shù)，X射線波長滿足的關(guān)系根據(jù)上述理論成果，設(shè)計進行5個實驗：觀察驗證康普頓效應(yīng)（關(guān)于散射）驗證X射線經(jīng)散射后波長改變量（能量改變）與散射角的關(guān)系驗證莫塞來定律（關(guān)于吸收）驗證K殼層吸收邊界與原子序數(shù)的關(guān)系，并可從入k的出現(xiàn)定性地得出吸收系數(shù)與入的對應(yīng)關(guān)系，而定量研究見實驗4驗證朗伯定律（關(guān)于衰減系數(shù)）驗證衰減程度與材料厚度的關(guān)系，并可測定特定材料在特定波長入射下的衰減系數(shù)4.研究衰減系數(shù)與X射線入射波長的關(guān)系5.研究衰減系數(shù)與吸收材料原子序數(shù)的關(guān)系二，實驗儀器德國萊寶公司的X射線實驗儀及其附件（包括鉬靶X射線管，G-M計數(shù)管），NaCl、LiF晶體，各種材料吸收片若干。三、實驗方法：1.近似法即忽略了康普頓效應(yīng)、光電效應(yīng)等散射效應(yīng)的影響，在吸收相對起主要作用的范圍內(nèi)用吸收系數(shù)近似代替衰減系數(shù)。2.專用軟件X-rayApparatus借助于NaCl晶體利用X射線的衍射性質(zhì)得到X射線的波長四、實驗過程及結(jié)論1.觀察康普頓效應(yīng)為觀察到康普頓移動，設(shè)置大散射角θ=145度；分別探測X射線被散射前和散射后的強度，根據(jù)經(jīng)驗公式計算出相應(yīng)的波長，進而得到波長的改變量及康普頓移動。結(jié)果如下：△λ=6.82pm-6.10pm=7.23pm和參考值4.42pm相比較，相對誤差為63.56%問題討論：定性地證實了康普頓散射效應(yīng)，但沒有定量地驗證康普頓移動量。對于較大的誤差，嘗試過將本底計數(shù)率的計數(shù)時間延長，但沒有改進。屬于半定量方法。由于此經(jīng)驗公式中的a,n未必適合本實驗中的材料Cu，因此此實驗方法有待改進。2.驗證莫塞來定律借助NaCl晶體，記錄X光經(jīng)過不同在Moseley窗口對Z-1/√λ進行直線擬合吸收片后在吸收邊界附近的衍射線譜結(jié)論：吸收邊界隨原子序數(shù)的變化關(guān)系滿足莫塞來定律，得到里德堡常數(shù)R，并由此可預(yù)測X射線的衰減系數(shù)與λ的對應(yīng)關(guān)系反映了吸收的本質(zhì)：吸收的本質(zhì)是光子的能量足夠使電子電離時發(fā)生的能量轉(zhuǎn)換。E=hv=hc/λ，如圖顯示K殼層電子結(jié)合能較大。3.驗證朗伯定律使X光管射出的X射線經(jīng)過不同厚度的鋁片，利用探測到的計數(shù)率之比可得到投射光強與入射光強之比，得到的d與ln(I/I。)的關(guān)系為d=-1.14979ln(I/I0d=-1.14979ln(I/I0)-0.18932R=-0.99545結(jié)論：X射線經(jīng)過物質(zhì)后隨物質(zhì)厚度呈指數(shù)衰減研究衰減系數(shù)與X射線入射波長的關(guān)系對同種吸收材料，忽略吸收邊界處的特殊變化，衰減系數(shù)與X射線波長滿足指數(shù)關(guān)系。本實驗忽略了康普頓散射的影響，用吸收系數(shù)近似代替了衰減系數(shù)，并分別用Cu和Zr來驗證了這種關(guān)系Culnta=2.76956lnλ-58.81962Culnta=2.76956lnλ-58.81962R=0.99659Zrlnta=2.55733lnλ-56.66322R=0.99702結(jié)論：X射線在物質(zhì)中的衰減系數(shù)與入射波長、物質(zhì)種類有關(guān)。對于同種材料，衰減系數(shù)與波長滿足指數(shù)關(guān)系，并且對不同材料，指數(shù)常數(shù)不同。研究衰減系數(shù)與吸收材料原子序數(shù)的關(guān)系固定波長，得到和不同材料對應(yīng)的衰減系數(shù)2nd1stLnta=3.91lnZ–61.04Lnta=3.91lnZ–61.042nd1stLnta=3.91lnZ–61.04Lnta=3.91lnZ–61.04結(jié)論：對于同種波長，衰減系數(shù)隨原子序數(shù)而變化五、討論1.利用莫塞來定律得到的是原子吸收系數(shù)（衰減系數(shù)）與X射線波長的變化趨勢圖；2．利用朗伯定律對衰減系數(shù)的測定是準(zhǔn)確測量（I/I。使結(jié)果無量綱化）；3．研究衰減系數(shù)與X射線波長、原子序數(shù)的關(guān)系時是近似測量（忽略了康普頓散射效應(yīng)的影響）因此，對比實驗結(jié)果和參考值，造成誤差的原因可能有：1.康普頓散射、光電效應(yīng)等效應(yīng)的影響；2.不同鉬靶發(fā)出的X光強弱可能略有差別；3.同種材料吸收片也可能由于結(jié)構(gòu)或客觀因素導(dǎo)致吸收系數(shù)略有不同；4.對于公式中的某些常量直接借鑒了參考值，例如計算衰減系數(shù)時的材料的密度、厚度和摩爾質(zhì)量；5.計數(shù)時間長短；6.實驗中所用到的儀器本身的影響，例如測角器的零點不準(zhǔn)；G-M計數(shù)管的死亡時間的影響等；7.人為因素實驗小結(jié)經(jīng)過以上五個實驗對X射線經(jīng)過物質(zhì)的衰減的研究，證實了X射線經(jīng)過物質(zhì)后造成衰減的主要兩部分原因是：散射和吸收，并驗證了與之相關(guān)的前人的實驗成果，包括著名的莫塞來定律，朗伯定律等，對于某些經(jīng)驗公式也得到了相近的結(jié)果，但鑒于討論中的各種因素，仍然存在一定的誤差，尤其是對于康普頓效應(yīng)的驗證，只能定性的觀察到該效應(yīng)，但是定量地研究方法還有待改進。致謝特別感謝白老師在整個實驗過程中的指導(dǎo)和辛勤勞動，也感謝合作伙伴汪秧，同實驗室的李瓊，吳圓佳，繆拉和駱志遠的熱情討論和諸多幫助。參考文獻1.《近代物理實驗》曹爾第