X射线系列实验实验报告

1、穿昌大学物理实验报告课程名称：近代物理实实验名称：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) 研宄x射线在nacl单品体上的衍射，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

2、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“g色” x射线，包含了从短波限am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)。连续光谱的短波限am只决定于x射线管的工作高压。图1-1x射线管产生的x射线的波长谱(2

3、) 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-l-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

4、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。(a)*(b)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 波长同数量级或更小。对x射线，由于它的波 级，要造出相应大小的狭缝观察x射线的衍射, 冯劳厄首先建议用晶体这个天然的光栅来研 因为晶体的晶格正好与x射线的波长属于同数 的是nacl晶体中氯离子与钠离子的排列结构。 在这样的晶格上所产生的结果。由图1-4 （a）可知，当入社x射线与晶面 晶面就是镜而（即布拉格而，入射角与出射角 看出，图中两条射线1和2的光程差是瓦+沉, 长

5、的整数倍时（假定入射光为单色的，只有一种波小必须与光波的 长在0. 2nm的数量 就相当困难。究x射线的衍射， 量级。图1-3显示 下面讨论x射线打相交0角时，假定 3曰体中氯原子相等），那么容易 作列结构即当它为波长）idsino = nafn = 1,2,3.布拉格（bragg）公式 在0方向射出的x射线即得到衍射加强。（a）（b）图1-4 布拉格公式的推导三、实验装 «vi根据布拉格公式，既可以利用已知的晶体（rf已知）通过测0角来研宄未知x射线的波长；也 可以利用已知x射线u己知）来测量未知晶体的晶面间距。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：屮间是x光

6、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1 一6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。监控rx光管文验区b3ao a1 a2 a3 a4图1-5 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1_1。八2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 a2和a3都可以转动，并可通过测角器

7、分别测出它们 监控区括电源和各种控制装置。b1是液晶显不区。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 b4有扫描模式选择按键和一个归零按键。sensor传 couple耦合扫描模式，按下此键时，传感器的转角 转角的2倍(如图1 一7)b5有五个操作键,它们是:reset； replay； scan 脉冲开关；hv (on/off)键是x光管上的高压开关。强度。的转角。左边的象。感器扫描模式；自动保持为靶台(on/off);是声ui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

8、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 被支架上的凸愣压住；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(7 = 30/ck,发射电流/ = lmaf at = 6s, ap=o. 1分别按coupled 和p limits键设置靶的下限为2. 5°,上限为25°。启动管高压hv (on/off),按scan启动测量。(3) 记录实验结果。测量结束后，调出程序屮的sotting对话框(f5)，输入nacl的d值 (d = 282.01pm),此时阁的横坐标由掠射角0自动转变为波长a (pm)。记录各级衍射峰

9、的中心值 (入(ka), a (kp),并求出其平均值。五、实验数据及数据处理(1) x射线在nacl品体屮的衍射数据表及示意图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根据布拉格（bragg）公式（其中d = 282.01pm）2dsind = na, n = 1,2,3."级数n掠射角e/°波长入/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品体上的第一级

16、術射认识相阳极射线管的能谱，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，h为普朗克常数；c为光速；a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u,人和 乂2是x光量子散射前后的波长，依据相对论的能量守恒的公式表述可以得到：式中mq为电子的质量。x光量子的动量为动量守恒导致0

17、,(p：碰撞角度(见图2-1)最终波长的改变量为22 -人=（1 一 cos 0）常数念c = 2.43pm定义为康普顿波长ae。本实验是利用一个铜箔来证明波长 存在。r. w. pohl研宄了铜箔的透射系数 光子的波长变化（见图2-2）,故由于康 导致的x光子坡长的漂移就变现在透射 的改变。波长与铜箔的透射率见的关系可以 为：eal00pm)tcu =其屮（x = 7.6, n = 2.75实验的开始是记录被铝散射的x光漂移现象的 会随着x齊顿散射而 率和计数率用公式表述子的无衰减时的计数率仏，/?2。因为计 数率低，故背景輻射也要考虑。则透射率是:rq-r和r2 =r2-rrq-r由此得到

18、x光子的平均波长人，a2。根据公式得到波长的漂移为入=义2 义1三、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 被支架上的凸愣压住；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i = 1ma, at = 3s, ap = 0.1分别按coupled和piiniits 键设置靶的t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

19、验结果。测量结束后，输入nacl的d值(d = 282.01pm)，此时图的横坐标由掠 射角0自动转变为波长a (pm)。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，以免撞到放罝样品的靶台。(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

20、145°。(3) 设置管高压(7 = 30/cl/，反射电流/ = l.oom/1。角的步进宽度/? = 0.0°。1)无铜滤波器。设定测量吋间2 = 605，使用hv (on/off)、scan键启动测量。当测量吋 间结束时，按replay体的前面。将铜滤波器按装在准直器的出口，测量时间升至心=600s后， 实验步骤同1 )，该计数率标为仏。2 )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at = 600s 后，实验步骤同1 ),该计数率标为仏。3)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，测量吋间为=6003,实验 步骤同1 )，该计数率标为/?2。4 )背景效应。取下铜滤波器，设定发射电流1=0 ,测量时间为= 600s，实验步骤同1 )， 该计数率标为/?。5)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。实验数据及数据处理(1)钼原子的x特征谱线此图得fli了第一级衍射角谱，由图知么形成的角度为7.4。形成的角度为6.6。，经过布拉格公式计算得到: ka = 72.6433 pm kp = 64.8269 pme/°r/s -10/°r/s-15.5419.76.82