X射线系列实验实验报告

南昌大学物理实验报告课程名称：近代物理实验实验名称：X射线系列实验学院：专业班级：学生姓名：学号：实验地点：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）研究X射线在NACL单晶体上的衍射，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“白色”X射线，包含了从短波限λm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λm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）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2-1-2b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。图1-2元素特征X射线的激发机理2.X射线在晶体中的衍射光波经过狭缝将产生衍射现象。狭缝的大小必须与光波的波长同数量级或更小。对X射线，由于它的波长在0.2nm的数量级，要造出相应大小的狭缝观察X射线的衍射，就相当困难。冯·劳厄首先建议用晶体这个天然的光栅来研究X射线的衍射，因为晶体的晶格正好与X射线的波长属于同数量级。图1-3显示的是NaCl晶体中氯离子与钠离子的排列结构。下面讨论X射线打在这样的晶格上所产生的结果。由图1-4（a）可知，当入社X射线与晶面相交图1-3NaCl晶体中氯原子与钠原子的排列结构𝜃角时，假定晶面就是镜面（即布拉格面，入射角与出射角相等），那么容易看出，图中两条射线1和2的光程差是𝐴𝐶̅̅̅̅+𝐷𝐶̅̅̅̅，即2𝑑𝑠𝑖𝑛𝜃。当它为波长的整数倍时（假定入射光为单色的，只有一种波长）2𝑑𝑠𝑖𝑛𝜃=𝑛𝜆,𝑛=1,2,3...布拉格（Bragg）公式在𝜃方向射出的X射线即得到衍射加强。（a）（b）图1-4布拉格公式的推导根据布拉格公式，既可以利用已知的晶体（𝑑已知）通过测𝜃角来研究未知X射线的波长；也可以利用已知X射线（𝜆已知）来测量未知晶体的晶面间距。三、实验装置本实验使用X射线实验仪如图1-5所示。该装置分为三个工作区：中间是X光管区，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—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。图1-5X射线实验仪右边的实验区可安排各种实验。A1是X光的出口。A2是安放晶体样品的靶台。A3是装有G—M计数管的传感器，它用来探测X光的强度。A2和A3都可以转动，并可通过测角器分别测出它们的转角。左边的监控区包括电源和各种控制装置。B1是液晶显示区。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所调节和设置的对象。B4有扫描模式选择按键和一个归零按键。SENSOR—传感器扫描模式；COUPLED—耦合扫描模式，按下此键时，传感器的转角自动保持为靶台转角的2倍（如图1—7）B5有五个操作键，它们是：RESET；REPLAY；SCAN（ON/OFF）；是声脉冲开关；HV（ON/OFF）键是X光管上的高压开关。图1-7COUPLED模式下靶台和传感器的角位置四、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楞压住；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𝑈=30𝑘𝑉，发射电流𝐼=1𝑚𝐴，∆𝑡=6𝑠，∆β=0.1分别按COUPLED和βlimits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，调出程序中的setting对话框（F5），输入NaCl的𝑑值（𝑑=282.01𝑝𝑚），此时图的横坐标由掠射角θ自动转变为波长λ（pm）。记录各级衍射峰的中心值（λ（kα），λ（kβ）），并求出其平均值。图1-6X光管五、实验数据及数据处理（1）X射线在NaCl晶体中的衍射数据表及示意图θ°θ°θ°θ°θ°θ°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射线在NaCl晶体的布拉格衍射示意图根据布拉格（Bragg）公式（其中𝑑=282.01𝑝𝑚）2𝑑𝑠𝑖𝑛𝜃=𝑛𝜆,𝑛=1,2,3...级数n掠射角θ°波长λpm1α7.371.6670β6.563.84892α14.771.5623β13.063.43843α22.371.3403β19.863.6850得：λ𝛼=(𝜆𝛼+𝜆𝛼2+𝜆𝛼3)3=71.5232𝑝𝑚⁄λ𝛽=(𝜆𝛽+𝜆𝛽2+𝜆𝛽3)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晶体上的第一级衍射认识钼阳极射线管的能谱，了解Edgeabsorption。（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。𝐸=ℎ∙𝑐𝜆式中，ℎ为普朗克常数；𝑐为光速；𝜆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υ，𝜆和𝜆2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：ℎ∙𝑐𝜆+𝑚0∙𝑐2=ℎ∙𝑐𝜆2+𝑚0∙𝑐2√1−(𝜐𝑐)2式中𝑚0为电子的质量。X光量子的动量为𝑝=ℎ𝜆动量守恒导致ℎ𝜆2∙co𝜃+𝑚0√1−(𝜐𝑐)2∙𝜈∙co𝜑=ℎ𝜆ℎ𝜆2∙in𝜃+𝑚0√1−(𝜐𝑐)2∙𝜈∙in𝜑=0𝜃，𝜑：碰撞角度（见图2-1）图2-1康普顿散射示意图最终波长的改变量为𝜆2−𝜆=ℎ𝑚0∙𝑐(1−co𝜃)常数ℎ𝑚0∙𝑐=2.43pm定义为康普顿波长𝜆𝑐。本实验是利用一个铜箔来证明波长漂移现象的存在。R.W.Pohl研究了铜箔的透射系数𝑇𝐶𝑢会随着X光子的波长变化（见图2-2），故