X射線系列實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

/XX大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱：近代物理實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)名稱：X射線系列實(shí)驗(yàn)學(xué)院：專業(yè)班級：學(xué)生姓名：學(xué)號：實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)時間：實(shí)驗(yàn)一：X射線在NaCl單晶中的衍射一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?了解X射線的產(chǎn)生、特點(diǎn)和應(yīng)用?！?了解X射線管產(chǎn)生連續(xù)X射線譜和特征譜的基本原理?！?研究X射線在NACL單晶體上的衍射,并通過測量X射線特征譜線的衍射角測定X射線的波長。二、實(shí)驗(yàn)原理 1.X射線的產(chǎn)生和X射線的光譜實(shí)驗(yàn)中通常使用X光管來產(chǎn)生X射線。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)高壓電場加速后,高速運(yùn)動的電子轟擊由金屬做成的陽極靶時,靶就發(fā)射X射線。發(fā)射出的X射線分為兩類：〔1如果被靶阻擋的電子的能量不越過一定限度時,發(fā)射的是連續(xù)光譜的輻射。這種輻射叫做軔致輻射?！?當(dāng)電子的能量超過一定的限度時,可以發(fā)射一種不連續(xù)的、只有幾條特殊的譜線組成的線狀光譜,這種發(fā)射線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,這就是為什么稱之為"特征"的原因。 〔1連續(xù)光譜。連續(xù)光譜又稱為"白色"X射線,包含了從短波限λm開始的全部波長,其強(qiáng)度隨波長變化連續(xù)地改變。從短波限開始隨著波長的增加強(qiáng)度迅速達(dá)到一個極大值,之后逐漸減弱,趨向于零〔圖1-1。連續(xù)光譜的短波限λm只決定于X射線管的工作高壓。圖1-1 X射線管產(chǎn)生的X射線的波長譜 〔2特征光譜。陰極射線的電子流轟擊到靶面,如果能量足夠高,靶內(nèi)一些原子的內(nèi)層電子會被轟出,使原子處于能級較高的激發(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)的能級圖,K層電子被轟出稱為K激發(fā)態(tài),L層電子被轟出稱為L激發(fā)態(tài),依次類推。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,從而使原子能級降低,多余的能量便以光量子的形式輻射出來。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層躍遷時放出的能量各不相同,產(chǎn)生的一系列輻射統(tǒng)稱為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)生的一系列輻射統(tǒng)稱為L系輻射,依次類推?；谏鲜鰴C(jī)制產(chǎn)生的X射線,其波長只與原子處于不同能級時發(fā)生電子躍遷的能級差有關(guān),而原子的能級是由原子結(jié)構(gòu)決定的。圖1-2元素特征X射線的激發(fā)機(jī)理 2.X射線在晶體中的衍射圖1-3 NaCl晶體中氯原子與鈉原子的排列結(jié)構(gòu) 光波經(jīng)過狹縫將產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。狹縫的大小必須與光波的波長同數(shù)量級或更小。對X射線,由于它的波長在0.2nm的數(shù)量級,要造出相應(yīng)大小的狹縫觀察X射線的衍射,就相當(dāng)困難。馮·勞厄首先建議用晶體這個天然的光柵來研究X射線的衍射,因?yàn)榫w的晶格正好與X射線的波長屬于同數(shù)量級。圖1-3顯示的是NaCl晶體中氯離子與鈉離子的排列結(jié)構(gòu)。下面討論X射線打在這樣的晶格上所產(chǎn)生的結(jié)果。圖1-3 NaCl晶體中氯原子與鈉原子的排列結(jié)構(gòu) 由圖1-4〔a可知,當(dāng)入社X射線與晶面相交θ角時,假定晶面就是鏡面〔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1和2的光程差是AC+DC,即2dsinθ在θ方向射出的X射線即得到衍射加強(qiáng)。 〔a 〔b圖1-4 布拉格公式的推導(dǎo) 根據(jù)布拉格公式,既可以利用已知的晶體〔d已知通過測θ角來研究未知X射線的波長；也可以利用已知X射線〔λ已知來測量未知晶體的晶面間距。三、實(shí)驗(yàn)裝置本實(shí)驗(yàn)使用X射線實(shí)驗(yàn)儀如圖1-5所示。該裝置分為三個工作區(qū)：中間是X光管區(qū),是產(chǎn)生X射線的地方；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1—6所示。它是一個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是鉬靶,工作時加以幾萬伏的高壓。電子在高壓作用下轟擊鉬原子而產(chǎn)生X射線,鉬靶受電子轟擊的面呈斜面,以利于X射線向水平方向射出?！?是銅塊,〔4是螺旋狀熱沉,用以散熱?！?是管腳。圖1-5 X射線實(shí)驗(yàn)儀圖1-6 X光管右邊的實(shí)驗(yàn)區(qū)可安排各種實(shí)驗(yàn)。圖1-6 X光管A1是X光的出口。A2是安放晶體樣品的靶臺。A3是裝有G—M計(jì)數(shù)管的傳感器,它用來探測X光的強(qiáng)度。A2和A3都可以轉(zhuǎn)動,并可通過測角器分別測出它們的轉(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是個大轉(zhuǎn)盤,各參數(shù)都由它來調(diào)節(jié)和設(shè)置。B3有五個設(shè)置按鍵,由它確定B2所調(diào)節(jié)和設(shè)置的對象。B4有掃描模式選擇按鍵和一個歸零按鍵。SENSOR—傳感器掃描模式；COUPLED—耦合掃描模式,按下此鍵時,傳感器的轉(zhuǎn)角自動保持為靶臺轉(zhuǎn)角的2倍〔如圖1—7B5有五個操作鍵,它們是：RESET；REPLAY；SCAN〔ON/OFF；是聲脈沖開關(guān)；HV〔ON/OFF鍵是X光管上的高壓開關(guān)。圖1-7 COUPLED模式下靶臺和傳感器的角位置四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 鉬原子的X特征譜線 〔1將NaCl放置在靶臺上。操作時,必須戴一次性手套,首先將鎖定桿逆時針轉(zhuǎn)動,靶臺鎖定解除,把NaCL樣品〔平板輕輕放在靶臺上,向前推到底后將靶臺輕輕向上抬起,確保樣品被支架上的凸楞壓??；最后順時針輕輕轉(zhuǎn)動鎖定桿,使靶臺鎖定。 〔2設(shè)置工作參數(shù)。高壓U=30kV,發(fā)射電流I=1mA,?t=6s,?β=0.1分別按COUPLED和βlimits鍵設(shè)置靶的下限為2.5°,上限為25°。 〔3記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。測量結(jié)束后,調(diào)出程序中的setting對話框〔F5,輸入NaCl的d值〔d=282.01pm,此時圖的橫坐標(biāo)由掠射角θ自動轉(zhuǎn)變?yōu)椴ㄩLλ〔pm。記錄各級衍射峰的中心值〔λ〔kα,λ五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理〔1X射線在NaCl晶體中的衍射數(shù)據(jù)表及示意圖θ/°R/θ/°R/θ/°R/θ/°R/θ/°R/θ/°R/2.57.86.3312.710.199.513.95717.736.521.524.52.612.76.4467.710.287.81459.817.829.721.619.22.79.76.5671.810.389.214.158.217.932.321.721.82.812.56.6630.810.485.314.254.21828.521.820.82.910.86.7347.710.584.214.359.718.129.721.925.5312.56.8280.210.685.514.45918.22822263.19.86.9266.210.77814.576.718.332.722.136.73.27.87268.310.872.814.6241.518.426.222.285.23.312.57.1301.810.972.814.7378.318.533.222.3104.83.411.27.2800.71171.214.8300.518.627.322.474.53.511.87.31483.211.169.314.9112.718.727.222.5493.611.27.41437.811.268154918.829.522.623.23.714.87.5466.211.366.215.142.718.92622.720.53.8317.6221.711.47215.246.51928.322.8193.989.27.7199.711.568.315.349.319.128.322.919.54162.77.8190.711.661.515.450.719.227.22319.24.1228.87.919411.758.815.54419.332.223.120.74.2271.58182.811.861.315.646.519.431.223.2184.3321.38.1176.711.957.315.74019.528.523.318.74.4342.38.2177.51253.215.84019.637.223.417.24.5355.28.3175.512.154.515.943.319.749.323.5164.6380.38.4160.712.254.3164919.851.523.615.34.7395.58.5157.712.362.216.141.819.93123.715.74.8406.58.6152.212.459.216.240.82025.523.816.84.9418.38.7156.812.551.716.338.820.123.523.916.55395.38.8147.812.66216.438.220.222.324155.1408.38.9140.512.768.816.53920.322.824.1155.2407.29132.812.88416.637.520.420.724.216.75.3391.59.1129.812.990.516.737.320.519.724.316.85.4378.79.2124.213144.216.837.820.625.724.418.25.5379.29.3117.313.1140.516.934.720.718.824.515.75.6371.89.411713.286.81737.820.824.224.614.75.7363.89.5109.713.36217.136.520.922.524.716.35.83459.6111.513.462.217.233.32123.224.816.75.9346.79.797.213.558.317.333.521.120.724.9126316.39.8100.313.657.817.433.721.221.22517.76.1309.29.997.713.754.217.531.321.321.26.2306.7109513.858.317.631.221.421X射線在NaCl晶體的布拉格衍射示意圖 根據(jù)布拉格〔Bragg公式〔其中d2dsin級數(shù)n掠射角θ/°波長λ/pm1α7.371.6670β6.563.84892α14.771.5623β13.063.43843α22.371.3403β19.863.6850得： λλ實(shí)驗(yàn)二：X射線的康普頓效應(yīng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?通過X-射線在NaCl晶體上的第一級衍射認(rèn)識鉬陽極射線管的能譜,了解Edgeabsorption?！?驗(yàn)證X光子康普頓的波長漂移。二、實(shí)驗(yàn)原理 康普頓效應(yīng)：1923年,美國物理學(xué)家Compton發(fā)現(xiàn)被散射體散射的X射線的波長的漂移,并將原因歸結(jié)為X射線的量子本質(zhì)。他解釋這種效應(yīng)是一個X光量子和散射物質(zhì)的一個電子發(fā)生碰撞,其中X光量子的能量發(fā)生了改變,他的一比分動能轉(zhuǎn)移給了電子。E=式中,h為普朗克常數(shù)；c為光速；λ為波長。 在碰撞中,能量和動量守恒。碰撞前,電子可以認(rèn)為是靜止的。碰撞后電子的速度為υ,λ1和λh?c式中m0 X光量子的動量為p= 動量守恒導(dǎo)致hhθ,φ：碰撞角度〔見圖2-1圖2-1 康普頓散射示意圖最終波長的改變量為λ常數(shù)hm0?c圖2-2 透射率和波長的關(guān)系 本實(shí)驗(yàn)是利用一個銅箔來證明波長漂移現(xiàn)象的存在。R.W.Pohl研究了銅箔的透射系數(shù)TCu會隨著X光子的波長變化〔見圖2-2,故由于康普頓散射而導(dǎo)致的X光子坡長的漂移就變現(xiàn)在透射率和計(jì)數(shù)率的改變。圖2-2 透射率和波長的關(guān)系 波長與銅箔的透射率見的關(guān)系可以用公式表述為：T其中α=7.6,n=2.75 實(shí)驗(yàn)的開始是記錄被鋁散射的X光子的無衰減時的計(jì)數(shù)率R1,R2T1= 由此得到X光子的平均波長λ1,λΔλ=三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1.鉬原子的X特征譜線 〔1將NaCl放置在靶臺上。操作時,必須戴一次性手套,首先將鎖定桿逆時針轉(zhuǎn)動,靶臺鎖定解除,把NaCl樣品〔平板輕輕放在靶臺上,向前推到底后將靶臺輕輕向上抬起,確保樣品被支架上的凸楞壓??；最后逆時針輕輕轉(zhuǎn)動鎖定桿,是靶臺鎖定。 〔2設(shè)置工作參數(shù)。高壓30kV,發(fā)射電流I=1mA,Δt=3s,Δβ=0.1分別按COUPLED和βlimits鍵設(shè)置靶的下限為5.5°,上限為8° 啟動高壓管HV〔ON/OFF,按下SCAN啟動測量。 〔3記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。測量結(jié)束后,輸入NaCl的d值〔d=282.01pm,此時圖的橫坐標(biāo)由掠射角θ自動轉(zhuǎn)變?yōu)椴ㄩLλ（pm）。2.邊吸收〔edgeabsorption 〔1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,拔出時不要用力過猛,以免撞到放置樣品的靶臺。 〔2實(shí)驗(yàn)設(shè)置和步驟如上。 〔3記錄衍射峰峰值,并和實(shí)驗(yàn)1的結(jié)果比較。3.X射線的康普頓效應(yīng)〔1將靶臺上的NaCl樣品換成實(shí)驗(yàn)提供的鋁塊。〔2按下TARGET,使用ADJUST鈕調(diào)節(jié)靶的角度到20°。按下SENSOR,用ADJUST鈕調(diào)節(jié)傳感器的角度到145°。〔3設(shè)置管高壓U=30kV,反射電流I=1.00mA。角的步進(jìn)寬度１無銅濾波器。設(shè)定測量時間?t=60s,使用HV〔ON/OFF、SCAN鍵啟動測量。當(dāng)測量時間結(jié)束時,按REPLAY體的前面。將銅濾波器按裝在準(zhǔn)直器的出口,測量時間升至?t=600s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,測量時間升至?t=600s后,實(shí)驗(yàn)步驟同１,該計(jì)數(shù)率標(biāo)為R３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,測量時間為?t=600s,實(shí)驗(yàn)步驟同１,該計(jì)數(shù)率標(biāo)為R2４背景效應(yīng)。取下銅濾波器,設(shè)定發(fā)射電流I=０,測量時間為?t=600s,實(shí)驗(yàn)步驟同１,該計(jì)數(shù)率標(biāo)為R５數(shù)據(jù)計(jì)算及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。依據(jù)