实验6.3钼阳极X射线特征谱线的精细结构

实验6.3 钼阳极X 射线特征谱线的精细结构
一、实验目的
1. 通过Mo 阳极X 射线在单晶NaCl 上的第5级布拉格反射谱研究其特征谱线的精细
结构；
2. 测定钼元素特征谱K α、K β 及K γ谱线；
3. 解析K α谱线的双线结构，测定其双线结构的波长间隔；
二、实验原理 我们已经知道，Mo 阳极X 射线特征谱K α和K β线都是双线结构，可以通过其在NaCl 单晶上的高阶布拉格衍射谱观测出来，然而它们的物理本质是不一样的。

K β是由纯K β线——M 壳层到K 壳层的原子跃迁和K γ线——N 壳层到K 壳层的原子跃迁组成的，两条谱线的波长差为1.2 pm （见表1），所以只能在高阶衍射谱上分辨开来。

表1 钼特征谱K
、K 及K 线跃迁能量、波长和相对强度
K α的精细结构源于L 壳层的精细结构，即电子的自旋轨道特性。

在X 射线谱上，L 壳层实际上是由三个子层L I 、L II 和L III
组成，这些子层向K 壳层的跃迁要遵从选择定则：
∆l =±1，∆j =0,±1
（1）
∆l 为跃迁中轨道角动量l 的变化量，∆j 为总角动量j 的变化量。

这样一来，只有两种从L 壳层到K 壳层的跃迁：K α1 和K α2 （见图1）。

表2中给出了钼元素这两条谱线的参考值，可以看出K α双线的波长间隔∆λ=0.43 pm 。

表2 钼元素K 的波长及相对强度
本实验中，通过布拉格反射在NaCl 晶体上的高阶衍射解析出钼X 光谱的精细结构。

按照布拉格反射定理，入射光特征谱线的波长和掠射角存在下列关系时，接受到的反射光强度最大：
n ∙λ=2∙d ∙sin θ （2）
n : 衍射阶数，d =282.01 pm ：NaCl 晶面间距。

可以看出，双线的波长间距∆λ 决定布拉格衍射时双线之间的角间距∆θ
图1 特征谱K α的精细结构
∆θ=n ∙∆ λ/(2∙d ∙cos θ) （3）
注意要区分角间距∆θ 和峰角宽度δθ 间的差异，后者较小时才能观察到独立分开的双线结构（见图2），角宽度由计数管前端小缝宽度、距晶体的距离和入射X 射线束的发散角
决定，在较高阶的衍射中保持恒定。

K
α的双线结构可以在
n =5 阶的衍射图样中分辨出来。

三、实验内容与步骤 3.1 仪器设置 本实验中仪器以布拉格反射形式设置，具体搭建步骤见“布拉格反射”实验。

3.2 实验步骤
1. 在计算机上运行“X-ray Apparatus ”程序，检查确认X 光机连接正常，按F4键或
点击 清除已有数据；
2. 在X 光机上设置：管电压U =35.0 kV ，发射电流 I =1.00 mA ，角步幅∆β=0.1°；
3. 按“COUPLED ”键，确保传感器和靶转角的2倍耦合关系；
a) 第1级衍射：
1． 按“β LIMITS ”键，设置靶转角下限为5.5，上限为8.0，按“∆t ”，设置单位角步幅采样时间间隔 ∆t =10 s ；
2． 按“SCAN ”键开始测量，传输数据； 3． 测量完成后，点击 钮或按F5键打开“Setting ”对话框，输入NaCl 晶面间距，
主界面窗口显示X 射线计数率和波长的关系（见图5）。

4． 点击 钮或按F2键，保存实验数据。

b) 第5级衍射：
1. 按“β LIMITS ”键，设置靶转角下限为3
2.5，上限为40.5；
2. 按“∆t ”，设置单位角步幅采样时间间隔 ∆t =400 s ；
注意：
由于高阶衍射的计数率很低，需要设置较长的测量时间才能得到满意的测量精度，
图3 双峰结构的角间隔与角宽度 图4 X 射线在晶体上的衍射示意图 1.准直器 2.晶体 3.计数器
本实验总测量时间为9小时。

3. 按“SCAN ”键开始测量，传输数据；
4. 测量完成后，点击 钮或按F5键打开“Setting ”对话框，输入NaCl 晶面间距，
主界面窗口显示X 射线计数率和波长的关系（见图6）。

5. 点击 钮或按F2键，保存实验数据。

四、数据处理
1. 在“X-ray Apparatus ”软件中，单击鼠标右键，弹出功能窗口，选择“Display Coordinates ”
命令；
2. 移动鼠标至衍射谱峰值处，在软件左下角“状态栏”中读取对应的波长值，数据记
录表格见表3、表4，也可以用“Alt+T ”或鼠标右键窗口命令“Set Marker ”将其标注于图上；
表3 第1级衍射谱测量结果
表4 第5级衍射谱测量结果
注意：
严格地说，K β和K γ 线也存在表明M 和N 壳层的精细结构，然而这种分裂非常微弱，以至于使用本X 光机不能观察到它们的存在。

表1中给出的是它们各自精细结构谱线的加权平均值（使用相对强度作为权重）。

图5 X 射线在NaCl 晶体上的1级衍射谱 图6 X 射线在NaCl 晶体上的5级衍射谱。