X射线在物质中的衰减

X射线在物质中的衰减目录：摘要------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1关键词---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1引言-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1实验部分------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1理论与设计-----------------------------------------------------------------------------------------------------1-2实验仪器-----------------------------------------------------------------------------------------------------------2实验方法-----------------------------------------------------------------------------------------------------------2实验过程及结论----------------------------------------------------------------------------------------------2-4讨论-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------5小结-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------5致谢-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------5参考文献------------------------------------------------------------------------------------------------------------------5摘要本文叙述了对X光在物质中的衰减性质的研究性实验，分成散射和吸收两部分，5个实验循序渐进地对物理学界著名的相关定律及经验公式进行了验证。主要采用了近似的方法，得到了较为准确的结论。关键词近代光学X光在物质中的衰减散射和吸收验证定律引言继1895年伦琴发现X射线后，人们对这种新电磁波进行了几百年的研究，包括了x射线的产生原理，特殊的性质以及近几十年发展起来的x射线分析技术。新的X射线源和探测设备的相继出现，相关理论、实验方法的发展和多领域、高频率的应用，使这门古老的科学研究不断地获得新的生命并被人们所认识。人们开始越来越察觉到X光的重要作用。实验部分一、理论及设计对X射线在物质中的衰减的研究涉及的定律有：康普顿效应X射线被散射后，在散射波中不仅有波长不改变的部分，还有波长变长的部分出现。相应的康普顿移动：QUOTEλk=h/mec(1-cosθ)QUOTE经验公式：TCu=exp[-a(λ/100pm)n]常数a=7.6,n=2.752.莫塞来定律QUOTEK壳层吸收边界与原子序数的关系其中R为里德堡常数，σK为K壳层屏蔽系数（Z=30~60范围内可视为常数）3.朗伯定律I=I。exp(-µd)X射线在某种材料中的衰减所满足的关系4.经验公式ﺡ=CZaλ3（C为常数）λ<λk时，a～3.94λk<λ<λL时，a～4.30根据实验结果总结的公式，衰减系数与原子序数，X射线波长满足的关系根据上述理论成果，设计进行5个实验：观察验证康普顿效应（关于散射）验证X射线经散射后波长改变量（能量改变）与散射角的关系验证莫塞来定律（关于吸收）验证K壳层吸收边界与原子序数的关系，并可从入k的出现定性地得出吸收系数与入的对应关系，而定量研究见实验4验证朗伯定律（关于衰减系数）验证衰减程度与材料厚度的关系，并可测定特定材料在特定波长入射下的衰减系数4.研究衰减系数与X射线入射波长的关系5.研究衰减系数与吸收材料原子序数的关系二，实验仪器德国莱宝公司的X射线实验仪及其附件（包括钼靶X射线管，G-M计数管），NaCl、LiF晶体，各种材料吸收片若干。三、实验方法：1.近似法即忽略了康普顿效应、光电效应等散射效应的影响，在吸收相对起主要作用的范围内用吸收系数近似代替衰减系数。2.专用软件X-rayApparatus借助于NaCl晶体利用X射线的衍射性质得到X射线的波长四、实验过程及结论1.观察康普顿效应为观察到康普顿移动，设置大散射角θ=145度；分别探测X射线被散射前和散射后的强度，根据经验公式计算出相应的波长，进而得到波长的改变量及康普顿移动。结果如下：△λ=6.82pm-6.10pm=7.23pm和参考值4.42pm相比较，相对误差为63.56%问题讨论：定性地证实了康普顿散射效应，但没有定量地验证康普顿移动量。对于较大的误差，尝试过将本底计数率的计数时间延长，但没有改进。属于半定量方法。由于此经验公式中的a,n未必适合本实验中的材料Cu，因此此实验方法有待改进。2.验证莫塞来定律借助NaCl晶体，记录X光经过不同在Moseley窗口对Z-1/√λ进行直线拟合吸收片后在吸收边界附近的衍射线谱结论：吸收边界随原子序数的变化关系满足莫塞来定律，得到里德堡常数R，并由此可预测X射线的衰减系数与λ的对应关系反映了吸收的本质：吸收的本质是光子的能量足够使电子电离时发生的能量转换。E=hv=hc/λ，如图显示K壳层电子结合能较大。3.验证朗伯定律使X光管射出的X射线经过不同厚度的铝片，利用探测到的计数率之比可得到投射光强与入射光强之比，得到的d与ln(I/I。)的关系为d=-1.14979ln(I/I0d=-1.14979ln(I/I0)-0.18932R=-0.99545结论：X射线经过物质后随物质厚度呈指数衰减研究衰减系数与X射线入射波长的关系对同种吸收材料，忽略吸收边界处的特殊变化，衰减系数与X射线波长满足指数关系。本实验忽略了康普顿散射的影响，用吸收系数近似代替了衰减系数，并分别用Cu和Zr来验证了这种关系Culnta=2.76956lnλ-58.81962Culnta=2.76956lnλ-58.81962R=0.99659Zrlnta=2.55733lnλ-56.66322R=0.99702结论：X射线在物质中的衰减系数与入射波长、物质种类有关。对于同种材料，衰减系数与波长满足指数关系，并且对不同材料，指数常数不同。研究衰减系数与吸收材料原子序数的关系固定波长，得到和不同材料对应的衰减系数2nd1stLnta=3.91lnZ–61.04Lnta=3.91lnZ–61.042nd1stLnta=3.91lnZ–61.04Lnta=3.91lnZ–61.04结论：对于同种波长，衰减系数随原子序数而变化五、讨论1.利用莫塞来定律得到的是原子吸收系数（衰减系数）与X射线波长的变化趋势图；2．利用朗伯定律对衰减系数的测定是准确测量（I/I。使结果无量纲化）；3．研究衰减系数与X射线波长、原子序数的关系时是近似测量（忽略了康普顿散射效应的影响）因此，对比实验结果和参考值，造成误差的原因可能有：1.康普顿散射、光电效应等效应的影响；2.不同钼靶发出的X光强弱可能略有差别；3.同种材料吸收片也可能由于结构或客观因素导致吸收系数略有不同；4.对于公式中的某些常量直接借鉴了参考值，例如计算衰减系数时的材料的密度、厚度和摩尔质量；5.计数时间长短；6.实验中所用到的仪器本身的影响，例如测角器的零点不准；G-M计数管的死亡时间的影响等；7.人为因素实验小结经过以上五个实验对X射线经过物质的衰减的研究，证实了X射线经过物质后造成衰减的主要两部分原因是：散射和吸收，并验证了与之相关的前人的实验成果，包括著名的莫塞来定律，朗伯定律等，对于某些经验公式也得到了相近的结果，但鉴于讨论中的各种因素，仍然存在一定的误差，尤其是对于康普顿效应的验证，只能定性的观察到该效应，但是定量地研究方法还有待改进。致谢特别感谢白老师在整个实验过程中的指导和辛勤劳动，也感谢合作伙伴汪秧，同实验室的李琼，吴圆佳，缪拉和骆志远的热情讨论和诸多帮助。参考文献1.《近代物理实验》曹尔第