X射線(xiàn)系列試驗(yàn)試驗(yàn)報(bào)告

1、南昌大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱(chēng)：近代物理實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)：X射線(xiàn)系列實(shí)驗(yàn)學(xué)院：專(zhuān)業(yè)班級(jí)：學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)時(shí)間：實(shí)驗(yàn)一：X射線(xiàn)在NaCI單晶中的衍射一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1) 了解X射線(xiàn)的產(chǎn)生、特點(diǎn)和應(yīng)用。(2) 了解X射線(xiàn)管產(chǎn)生連續(xù)X射線(xiàn)譜和特征譜的基本原理。(3) 研究X射線(xiàn)在NAC單品體上的衍射，并通過(guò)測(cè)雖X射線(xiàn)特征譜線(xiàn)的衍射角測(cè)定X射線(xiàn)的波長(zhǎng)。1. :、實(shí)驗(yàn)原理X射線(xiàn)的產(chǎn)生和X射線(xiàn)的光譜實(shí)驗(yàn)中通常使用X光管來(lái)產(chǎn)生X射線(xiàn)。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(chǎng)加速后，高速運(yùn)動(dòng)的電子轟擊由金屬做成的陽(yáng)極靶時(shí)，靶就發(fā)射X射線(xiàn)。發(fā)射出的X射線(xiàn)分為兩類(lèi)：(1)如果被靶阻擋的電子的能雖

2、不越過(guò)一定限度時(shí)，發(fā)射的是連續(xù)光譜的輻射。這種輻射叫做朝致輻射。(2)當(dāng)電子的能雖超過(guò)一定的限度時(shí)，可以發(fā)射一種不連續(xù)的、只有幾條特殊的譜線(xiàn)組成的線(xiàn)狀光譜，這種發(fā)射線(xiàn)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(wú)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(chēng)之為“特征”的原因。連續(xù)光譜。連續(xù)光譜又稱(chēng)為“白色”X射線(xiàn)，包含了從短波限入m開(kāi)始的全部波長(zhǎng)，其強(qiáng)度隨波長(zhǎng)變化連續(xù)地改變。從短波限開(kāi)始隨著波長(zhǎng)的增加強(qiáng)度迅速達(dá)到一個(gè)極大值，之后逐漸減弱，趨向于零(圖1-1)。連續(xù)光譜的短波限入m只決定于X射線(xiàn)管的工作高壓。10-0,5070.9波K(A)圖1-1X射線(xiàn)管產(chǎn)生的X射

3、線(xiàn)的波長(zhǎng)譜(1) 特征光譜。陰極射線(xiàn)的電子流轟擊到靶面，如果能雖足夠高，靶內(nèi)一些原子的內(nèi)層電子會(huì)被轟出，使原子處于能級(jí)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(jí)圖，K層電子被轟出稱(chēng)為K激發(fā)態(tài)，L層電子被轟出稱(chēng)為L(zhǎng)激發(fā)態(tài)，依次類(lèi)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(jí)降低，多余的能雖便以光雖子的形式輻射出來(lái)。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(shí)放出的能雖各不相同，產(chǎn)生的一系列輻射統(tǒng)稱(chēng)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)，所產(chǎn)生的一

4、系列輻射統(tǒng)稱(chēng)為L(zhǎng)系輻射，依次類(lèi)推?；谏鲜鰴C(jī)制產(chǎn)生的X射線(xiàn)，其波長(zhǎng)只與原子處于不同能級(jí)時(shí)發(fā)生電子躍遷的能級(jí)差有關(guān)，而原子的能級(jí)是由原子結(jié)構(gòu)決定的。圖1-2元素特征X射線(xiàn)的激發(fā)機(jī)理X射線(xiàn)在晶體中的衍射光波經(jīng)過(guò)狹縫將產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。狹縫的大小必須與光波的波長(zhǎng)同數(shù)雖級(jí)或更小。對(duì)X射線(xiàn)，由于它的波長(zhǎng)在0.2nm的數(shù)雖級(jí)，要造出相應(yīng)大小的狹縫觀察X射線(xiàn)的衍射，就相當(dāng)困難。馮？勞厄首先建議用品體這個(gè)天然的光柵來(lái)研究X射線(xiàn)的衍射，因?yàn)榫w的晶格正好與X射線(xiàn)的波長(zhǎng)屬于同數(shù)雖級(jí)。圖1-3顯示的是NaCl品體中氯離子與鈉離子的排列結(jié)構(gòu)。下面討論X射線(xiàn)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(xiàn)與

5、品面相交與鈉原子的排列結(jié)構(gòu)-角時(shí)，假定品面就是鏡面（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(xiàn)1和2的光程差是和探,即獺痂凱當(dāng)它為波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)（假定入射光為單色的，只有一種波長(zhǎng)）1如泌-時(shí)一匚一布拉格（Bragg）公式在方向射出的X射線(xiàn)即得到衍射加強(qiáng)。圖1-4布拉格公式的推導(dǎo)根據(jù)布拉格公式，既可以利用已知的品體（-已知）通過(guò)測(cè)-角來(lái)研究未知X射線(xiàn)的波長(zhǎng)；也可以利用已知X射線(xiàn)（？已知）來(lái)測(cè)雖未知晶體的品面間距。三、實(shí)驗(yàn)裝置本實(shí)驗(yàn)使用X射線(xiàn)實(shí)驗(yàn)儀如圖1-5所示。該裝置分為三個(gè)工作區(qū)：中間是X光管區(qū)，是產(chǎn)生X射線(xiàn)的地方；右邊是實(shí)驗(yàn)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

6、個(gè)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）是鉗靶，工作時(shí)加以幾萬(wàn)伏的高壓。電子在高壓作用下轟擊鉗原子而產(chǎn)生X射線(xiàn)，鉗靶受電子轟擊的面呈斜面,以利于X射線(xiàn)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。B3AftAlA2A3A4右邊的實(shí)驗(yàn)區(qū)可安排各種實(shí)驗(yàn)。A1是X光的出口。A2是安放品體樣品的靶臺(tái)。A3是裝有G-M計(jì)數(shù)管的傳感器，它用來(lái)探測(cè)X光的強(qiáng)度。A2和A3都可以轉(zhuǎn)動(dòng)，并可通過(guò)測(cè)角器分別測(cè)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置。B1是液晶顯示區(qū)。B2是個(gè)大轉(zhuǎn)盤(pán)，各參數(shù)都由它來(lái)調(diào)節(jié)和設(shè)置。B3有五個(gè)設(shè)置按鍵，由它確

7、定B2所調(diào)節(jié)和設(shè)置的對(duì)象。B4有掃描模式選擇按鍵和一個(gè)歸零按鍵。SENSO一傳感器掃描模式；COUPLE一耦耦合掃描模式，按下此鍵時(shí)，傳感器的轉(zhuǎn)角自動(dòng)保持為靶臺(tái)轉(zhuǎn)角的2倍(如圖1-7)B5有五個(gè)操作鍵，它們是：RESETREPLAYSCAN43JP5圖1-62§X光管(ON/OFF;是聲脈沖開(kāi)關(guān)；HV(ON/OFF鍵是X光管上的高壓開(kāi)關(guān)監(jiān)控區(qū)xAlt?四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容鉗原子的X特征譜線(xiàn)將NaCI放置在靶臺(tái)上。操作時(shí)，必須戴一次性手套，首先將鎖定桿逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),靶臺(tái)鎖定解除，把NaCL樣品(平板)輕輕放在靶臺(tái)上，向前推到底后將靶臺(tái)輕輕向上抬起，確保樣品被支架上的凸楞壓住；最后順時(shí)針輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)鎖

8、定桿，使靶臺(tái)鎖定。設(shè)置工作參數(shù)。高壓PJ發(fā)射電流怎瀾，腑蠢，統(tǒng)=o.i分別按COUPLE和limits鍵設(shè)置靶的下限為2.5,上限為25。啟動(dòng)管高壓HV(ON/OFF，按SCAN啟動(dòng)測(cè)雖。記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。測(cè)雖結(jié)束后，調(diào)出程序中的setting對(duì)話(huà)框(F5)，輸入NaCl的出直(d=282.01pm)，此時(shí)圖的橫坐標(biāo)由掠射角0自動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)椴ㄩL(zhǎng):(pm)。記錄各級(jí)衍射峰的中心值(X(虬)，»(麗),并求出其平均值。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理(1)X射線(xiàn)在NaCl晶體中的衍射9/-R/.Te嚴(yán)R/s-10R/Q0嚴(yán)wR/嚴(yán)。尸R/s-1e嚴(yán)R/s-12.57.86.3312.710.199.513

9、.9R/5717.736.521.524.52.612.76.4467.710.287.81459.817.829.721.619.22.79.76.5671.810.389.214.158.217.932.321.721.82.812.56.6630.810.485.314.254.21828.521.820.82.910.86.7347.710.584.214.359.718.129.721.925.5312.56.8280.210.685.514.45918.22822263.19.86.9266.210.77814.576.718.332.722.136.73.27.87268.310

10、.872.814.6241.518.426.222.285.23.312.57.1301.810.972.814.7378.318.533.222.3104.83.411.27.2800.71171.214.8300.518.627.322.474.53.511.87.31483.211.69.314.112.718.27.222.4919753.611.27.41437.811.268154918.829.522.623.23.714.87.5466.211.366.215.142.718.92622.720.53.8317.6221.711.47215.246.51928.322.8193

11、.989.27.7199.711.568.315.349.319.128.322.919.54162.77.8190.711.661.515.450.719.227.22319.24.1228.87.919411.758.815.54419.332.223.120.74.2271.58182.811.861.315.646.519.431.223.2184.3321.38.1176.711.957.315.74019.528.523.318.74.4342.38.2177.51253.215.84019.637.223.417.24.5355.28.3175.512.154.515.943.3

12、19.749.323.5164.6380.38.4160.712.254.3164919.851.523.615.34.7395.58.5157.712.362.216.141.819.93123.715.74.8406.58.6152.212.459.216.240.82025.523.816.84.9418.38.7156.812.551.716.338.820.123.523.916.55395.38.8147.812.66216.438.220.222.324155.1408.38.9140.512.768.816.53920.322.824.1155.2407.29132.812.8

13、8416.637.520.420.724.216.75.3391.59.1129.812.990.516.737.320.519.724.316.85.4378.79.2124.213144.216.837.820.625.724.418.25.5379.29.3117.313.1140.516.934.720.718.824.515.75.6371.89.411713.286.81737.820.824.224.614.75.7363.89.5109.713.6217.36.520.22.524.16.331975.83459.6111.513.462.217.233.32123.224.8

14、16.75.9346.79.797.213.558.317.333.521.120.724.9126316.39.8100.313.657.817.433.721.221.22517.76.1309.29.997.713.754.217.531.321.321.26.2306.7109513.858.317.631.221.421X射線(xiàn)在NaCI晶體的布拉格衍射示意圖根據(jù)布拉格（Bragg）公式（其中&2dsin0=nXfn=1,23?級(jí)數(shù)n掠射角0/tt波長(zhǎng)入/pm1a7.371.667036.563.84892a14.771.5623313.063.43843a22.371.340

15、3319.863.6850妒他+血+如)/3日勾657鋤實(shí)驗(yàn)二：X射線(xiàn)的康普頓效應(yīng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^(guò)X-射線(xiàn)在NaCI晶體上的第一級(jí)衍射認(rèn)識(shí)鉗陽(yáng)極射線(xiàn)管的能譜，了解Edgeabsorption。驗(yàn)證X光子康普頓的波長(zhǎng)漂移二、實(shí)驗(yàn)原理康普頓效應(yīng)：1923年，美國(guó)物理學(xué)家Compton發(fā)現(xiàn)被散射體散射的X射線(xiàn)的波長(zhǎng)的漂移，并將原因歸結(jié)為X射線(xiàn)的雖子本質(zhì)。他解釋這種效應(yīng)是一個(gè)X光雖子和散射物質(zhì)的一個(gè)電子發(fā)生碰撞，其中X光雖子的能雖發(fā)生了改變，他的一比分動(dòng)能轉(zhuǎn)移給了電子。ft-c式中，？為普朗克常數(shù)；為光速;?為波長(zhǎng)。在碰撞中，能雖和動(dòng)H守怛。碰撞前，電子可以認(rèn)為是靜止的。碰撞后電子的速度為$,;.和是

16、X光雖子散射前后的波長(zhǎng)，依據(jù)相對(duì)論的能雖守恒的公式表述可以得到：式中魂為電子的質(zhì)n動(dòng)員守恒導(dǎo)致-cos0+hv尢_a-（1cosfijX光H子的動(dòng)H為常數(shù)-?-?定義為康普頓波長(zhǎng)本實(shí)驗(yàn)是利用一個(gè)銅箔來(lái)證明波長(zhǎng)漂移現(xiàn)象的存在。R.W.Pohl研究了銅箔的透射系數(shù)一.會(huì)隨著X光子的波長(zhǎng)變化(見(jiàn)圖2-2)，故由于康普頓散射而導(dǎo)致的X光子坡長(zhǎng)的漂移就變現(xiàn)在透射率和計(jì)數(shù)率的改變。波長(zhǎng)與銅箔的透射率見(jiàn)的關(guān)系可以用公式表述為：其中'A6O因?yàn)橛?jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)的開(kāi)始是記錄被鋁散射的X光子的無(wú)衰減時(shí)的計(jì)數(shù)率率低，故背景輻射也要考慮。則透射率是:由此得到X光子的平均波長(zhǎng)I。根據(jù)公式得到波長(zhǎng)的漂移為AA=xA

17、63;三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容鉗原子的X特征譜線(xiàn)將NaCI放置在靶臺(tái)上。操作時(shí)，必須戴一次性手套，首先將鎖定桿逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，靶臺(tái)鎖定解除，把NaCI樣品(平板)輕輕放在靶臺(tái)上，向前推到底后將靶臺(tái)輕輕向上抬命起，確保樣品被支架上的凸楞壓??；最后逆時(shí)針":輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)鎖定桿，是靶臺(tái)鎖定。十設(shè)置工作參數(shù)。高壓30kV,發(fā)射電流二：.加，卷，蠢，一=?-分別按COUPLE部分內(nèi)容來(lái)源丁網(wǎng)絡(luò)，有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系刪除！506070&0圖2-2透射率利波反的關(guān)系和.limits鍵設(shè)置靶的下限為5.5.，上限為8啟動(dòng)高壓管HV(ON/OFF,按下SCAN啟動(dòng)測(cè)雖記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。測(cè)雖結(jié)束后，輸入NaCl的d值(d=28

18、2?01P皿)，此時(shí)圖的橫坐標(biāo)由掠射角.自動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)椴ㄩL(zhǎng)？皆巾皈邊吸收(edgeabsorption)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(shí)驗(yàn)區(qū)的空間較小，而準(zhǔn)直器的安裝位較深，拔出時(shí)不要用力過(guò)猛，以免撞到放置樣品的靶臺(tái)。(1) 實(shí)驗(yàn)設(shè)置和步驟如上。(2) 記錄衍射峰峰值，并和實(shí)驗(yàn)1的結(jié)果比較。(1) X射線(xiàn)的康普頓效應(yīng)將靶臺(tái)上的NaCI樣品換成實(shí)驗(yàn)提供的鋁塊。1) 按下TARGET使用ADJUSTS調(diào)節(jié)靶的角度至V20。按下SENSO,用ADJUST鈕調(diào)節(jié)傳感器的角度到145設(shè)置管高壓二一，反射電流，角亦。角的步進(jìn)寬度.1二訂丁無(wú)銅濾波器。設(shè)定測(cè)雖時(shí)間At二60s,使用

19、HV(ON/OFF、SCAN鍵啟動(dòng)測(cè)雖。當(dāng)測(cè)雖時(shí)間結(jié)束時(shí)，按REPLAYS的前面。將銅濾波器按裝在準(zhǔn)直器的出口，測(cè)雖時(shí)間升至腮皆俺:蕨后，實(shí)驗(yàn)步驟同1),該計(jì)數(shù)率標(biāo)為。2) 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(cè)雖時(shí)間升至臆Y矗;后，實(shí)驗(yàn)步驟同1),該計(jì)數(shù)率標(biāo)為。3) 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(cè)雖時(shí)間為？t=600s，實(shí)驗(yàn)步驟同1)，該計(jì)數(shù)率標(biāo)為？：。4) 背景效應(yīng)。取下銅濾波器，設(shè)定發(fā)射電流匚0,測(cè)雖時(shí)間為二=藥猜實(shí)驗(yàn)步驟同1),該計(jì)數(shù)率標(biāo)為。并與康5) 數(shù)據(jù)計(jì)算及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。依據(jù)實(shí)驗(yàn)原理中的相關(guān)公式計(jì)算其波長(zhǎng)漂移普頓散射的理論值相比。四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理(1)鉗原子的X特征譜線(xiàn)0/*昭70AR/s'15.5419.76.8284.