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1-1 X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1-3 NaCl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AC ̅̅̅̅+DC ̅̅̅̅，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1-5
X 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1-7
COUPLED 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β limits 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（k α），λ（k β）），并求出其平均值。

图1-6 X 光管
五、实验数据及数据处理
X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）
⁄
得：λα=(λα1+λα2+λα3)3=71.5232pm
⁄
λβ=(λβ1+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Edge absorption。

（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∙c λ
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，λ1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∙c λ1+m0∙c2=
ℎ∙c
λ2
+
2
√1−(υ
c)
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∙cosθ+
m
√1−(υ
c)
2
∙ν∙cosφ=
ℎ
λ1
ℎλ2∙sinθ+
m
√1−(υ
c)
2
∙ν∙sinφ=0
θ，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−λ1
=ℎ
m 0∙c
(1−cos θ)
常数ℎ
m
0∙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T Cu 会随着X 光子的波长变化（见图2-2），故由于康普顿散射而导致的X 光子坡长的漂移就变现在透射率和计数率的改变。

波长与铜箔的透射率见的关系可以用公式表述为：
T Cu =
e −a(
λ
100pm )n
其中α=7.6，n =2.75
实验的开始是记录被铝散射的X 光子的无衰减时的计数率R 1, R 2。

因为计数率低，故背景辐射R 也要考虑。

则透射率是：
T 1=R 1−R R 0
−R 和 T 2=R 2−R
R 0
−R
由此得到X 光子的平均波长λ1，λ2。

根据公式得到波长的漂移为
Δλ=λ2−λ1
三、实验内容
图2-2
透射率和波长的关系
1.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；最后逆时针轻轻转动锁定杆，是靶台锁定。

（2）设置工作参数。

高压30kV，发射电流I=1mA,Δt=3s,Δβ=0.1分别按COUPLED和βlimits键设置靶的下限为5.5°，上限为8°
启动高压管HV（ON/OFF），按下SCAN启动测量。

（3）记录实验结果。

测量结束后，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）。

2.边吸收（edge absorption）
（1）戴一次性手套，将Zr滤波器安装在准直器的出口端，注意：该仪器实验区的空间较小，而准直器的安装位较深，拔出时不要用力过猛，以免撞到放置样品的靶台。

（2）实验设置和步骤如上。

（3）记录衍射峰峰值，并和实验1的结果比较。

3.X射线的康普顿效应
（1）将靶台上的NaCl样品换成实验提供的铝块。

（2）按下TARGET，使用ADJUST钮调节靶的角度到20°。

按下SENSOR，用ADJUST 钮调节传感器的角度到145°。

（3）设置管高压U=30kV，反射电流I=1.00mA。

角的步进宽度∆β=0.0°。

１）无铜滤波器。

设定测量时间∆t=60s，使用HV（ON/OFF）、SCAN键启动测量。

当测量时间结束时，按REPLAY体的前面。

将铜滤波器按装在准直器的出口，测量时间升至∆t=600s后，实验步骤同１），该计数率标为R0。

２）铜滤波器放在铝散射体的前面。

将铜滤波器按装在准直器的出口，测量时间升至∆t=600s后，实验步骤同１），该计数率标为R1。

３）铜滤波器放在铝散射体的后面。

将铜滤波器按装在传感器上，测量时间为∆t=600s，实验步骤同１），该计数率标为R2。

４）背景效应。

取下铜滤波器，设定发射电流I=０，测量时间为∆t=600s，实验步骤同１），该计数率标为R。

５）数据计算及实验结果分析。

依据实验原理中的相关公式计算其波长漂移量，并与康普顿散射的理论值相比。

四、实验数据及数据处理
（1
此图得出了第一级衍射角谱，由图知Kα形成的角度为7.4。

Kβ形成的角度为6.6。

，经过布拉格公式计算得到：
Kα=72.6433 pm
Kβ=64.8269 pm
（2）边吸收（edge absorption）
从图中可以看出β谱线被吸收掉，只剩下α谱线，说明Zr对β谱线有吸收功能。

（4）X射线的康普顿效应
θ=5°
R0=9.58s−1
R1=1.417s−1
R2=0.887s−1
R=0.267s−1
T1=R1−R
R0−R =0.1235T2=R2−R
R0−R
=0.0666
根据：T Cu=e−a(
λ
100pm
)
n
（α=7.6，n=2.75）
得：
λ1=62.5512pm, λ2=68.7214pm
波长的漂移量为
Δλ=λ2−λ1=6.2002pm 理论漂移量：
Δλ=λ2−λ1=ℎ
m0∙c (1−cosθ)（康普顿波长λc=ℎ
m0∙c
=2.43pm）Δλ=4.4207pm
六、实验预习题
七、实验总结（自己写）。