氯化钠的光谱分析实验报告

近代物理实验实验报告

实验课题：氯化钠的光谱分析

班级：物理学061

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学号：********

指导老师：楼莹老师

2008年9月26日

摘要：

简单介绍了X射线的本质及产生的机理，获得x射线必须的条件，继而从理论上知x射线仪的主要结构。介绍了X射线衍射的要求，先介绍了描述X射线衍射条件的劳厄方程和布拉格方程，之后重点介绍了劳厄法和劳厄相的处理，劳厄法可用来分析晶体的结构，但它的主要用途是在于帮助我们研究晶体的宏观对称性。最后，简单说明了实验中要注意的事项。

引言：

X射线是波长介于紫外线和γ射线间的电磁辐射。由德国物理学家W.K.伦琴于1895年发现，故又称伦琴射线。波长小于0.1埃的称超硬X射线，在0.1～1埃范围内的称硬X射线，1～10埃范围内的称软X射线。实验室中X射线由X 射线管产生，X射线管是具有阴极和阳极的真空管，阴极用钨丝制成，通电后可发射热电子，阳极（就称靶极）用高熔点金属制成（一般用钨，用于晶体结构分析的X射线管还可用铁、铜、镍等材料）。用几万伏至几十万伏的高压加速电子，电子束轰击靶极，X射线从靶极发出。电子轰击靶极时会产生高温，故靶极必须用水冷却，有时还将靶极设计成转动式的。

X射线谱由连续谱和标识谱两部分组成，标识谱重叠在连续谱背景上，连续谱是由于高速电子受靶极阻挡而产生的轫致辐射，其短波极限λ 0 由加速电压V决定：λ 0 = hc /( ev )为普朗克常数， e 为电子电量， c 为真空中的光速。标识谱是由一系列线状谱组成，它们是因靶元素内层电子的跃迁而产生，每种元素各有一套特定的标识谱，反映了原子壳层结构的特征。同步辐射源可产生高强度的连续谱X射线，现已成为重要的X射线源。

关键词：氯化钠、X射线、布拉格公式、固定晶体法、晶体结构

正文：

I.x射线的本质

（1）是波长很短的电磁波 0.01~100nm

电磁波谱：

γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、无线电波→λ↑

x-ray 介于紫外线和γ射线之间。

对于用来晶体分析的x-ray，其λ= 0.5~2.5

（2）具有波粒二象性

波动性主要表现为以一定频率、波长在空间传播；微粒性主要表现为以光子形式辐射和吸收时具有一定的质量、能量和动量。

解释与其传播过程有关的干涉、衍射现象时，将其看成是一种具有一定波长、振动频率和传播速度的波；考虑其与其它物质相互作用时，将其看成是一种具有一定能量、动量、质量的微粒子流——x光子流。

II. X 射线的产生

x-ray 被发现后，进一步研究证明，凡是高速运动的电子流或其它高能辐射流（中子流等）被突然减速时均能产生x-ray 。

任何高速运动的电子，在突然停止其运动时，其大部分动能将变为热能而消耗，而一部分（小部分）动能就以电磁辐射——x-ray 光子的形式放射出来。 III.

产生x 射线必须具备的基本条件

①产生自由电子——造成大量可以在真空中自由运动的电子

②使电子作定向高速运动——迫使电子沿一定方向加速运动，获得足够大速度

③突然止住电子——在其运动的路径上设置障碍物使其突然减速 IV. 对x 射线仪的介绍

按上述原理制成的产生x-ray 的仪器称x-ray 仪，实验室中用的x-ray 通常是由x-ray 仪产生的。主要包括： ①x-ray 管（x-ray 发射器）

②高压变压器（为x-ray 管提供高压，加速电子高速运动） ③低压稳压电源（加热灯丝，产生自由电子） ④自动控制、指示装置（设备操作所需） V. 布拉格（Bragg ）公式

光波经过狭缝将产生衍射现象，为此，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以观察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，因为晶格正好与X 射线的波长同数量级。图4—1显示的是NaCl 晶体中氯离子与钠离子的排列结构。现在讨论X 射线打在这样晶格上所产生的结果。

由图4—2a 可知，当入射X 射线与晶面相交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），那末容易看出，图中两条射线1和2的程差是AC DC +，即2sin d θ。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），

2sin ,1,2,

d n n θλ== （5.1）

在θ方向射出的X 射线即得到衍射加强，式4.1就是X 射线在晶体中的衍射公式，称之为布拉格公式。在上述假定下,d 是晶格之间距离，也是相邻两布拉格面之间的距离。λ是入射X 射线的波长，θ是入射角（注意此入射角是入射X 射线与布拉格面之间的夹角）和反射角。n 是 一个整数，为衍射级次。

根据布拉格公式，即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。

2

反射射线

1

2

布拉格面

透射射线

入射射线

d

C

C D A dSin

dSin

(a)布拉格公式的推导 d

d"

d'

（b ）晶体中不同方向的平行面

图5—1

图5—1a 表示的是一组晶面，但事实上， 晶格中的原子可以构成很多组方向不同的

平行面来说，d 是不相同的，而且从图5

—1b 中可以清楚的看出，在不同的平行面上，

原子数的密度也不一样，故测得的反射线的强

度就有差异。

VI. 实验内容

1、按图5—2所示安装实验仪器，使靶台和直准器间的距离为5cm ，和传感器的距离为6cm 。

1、X 射线在NaCl 晶体中的衍射

将NaCl 单晶固定在靶台上，启动软件“X-ray Apparatus ”按或F4键清屏；

设置X 光管的高压U=35.0KV ，电流I=1.00mA 测量时间310t

s s

∆=-，角步幅

0.1

o

β∆=，按COUPLED 键，再按β键，设置下限角为 4.0o , 上限角为24o ；按

SCAN 键进行自动扫描；扫描完毕后，按

或F2键存储文件（如图6—1）。

b

c d

a e f g

图5—2 X 射线的实验装置