西安交通大学x光系列实验报告.docx

综合物理实验报告 X光系列 X 射线系列实验I布拉格衍射测定X 射线的波长和晶格常数一．实验目的1、利用钼靶的特征X-ray 研究NaCl 晶体的布拉格散射；2、确定Kα 与Kβ X-ray 的波长；3、验证布拉格定律二．实验原理1．X 射线的基本性质X 射线（X-ray），又被称伦琴射线或X 光，X 射线和可见光线一样，也是电磁波的一种，不同的是较之可见光，它的波长更短，介于紫外线和γ 射线之间，约10 nm ~ 0.01 nm（注：1 nm = 10-9 m）。波长小于0.01 nm 的称为超硬X 射线，在0.01 ~ 0.1 nm 范围内的称为硬X 射线，0.1 ~ 1 nm 范围内的称为软X 射线。其中，波长较短的硬X 射线能量较高，穿透性较强，适用于金属部件的无损探伤及金属物相分析；波长较长的软X 射线能量较低，穿透性弱，可用于非金属的分析。X 射线具有光所具有的一切性质：反射、折射、偏振等，但物理现象的表现方式上与可见光存在很大差异,不能象可见光一样使X 射线会聚、发散和变向，所以X 射线无法制成显微镜！在实验室中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石英管，其结构如图1 所示：①是接地阴极，即电子发射极，用钨丝构成，通电加热后可发射电子；②是阳极靶材，本实验中采用钼靶，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 光。③铜块和④螺旋状热沉用以散热。⑤是管脚。因为电子轰击靶极时会产生高温故靶极必须散热冷却。经过X 射线管发射出的X 射线分为两种：连续光谱和标识光谱。能量为eU 的电子与阳极靶的原子碰撞时，电子失去自己的能量，其中部分以光子的形式辐射，碰撞一次产生一个能量为hν的光子，这样的光子流即为X 射线。单位时间内到达阳极靶面的电子数目是极大量的，绝大多数电子要经历多次碰撞，产生能量各不相同的辐射，因此出现连续X 射线谱。 因为连续光谱是由于高速电子受靶极阻挡而产生的轫致辐射，所以其短波极限λ0 由加速电压U 决定： λ0 = hc/eU，其中h 为普朗克常数，e 为电子电量，c 为真空中的光速。标识光谱的产生则与阳极靶材的原子内部结构紧密相关的。原子系统内的电子按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各个能级。在电子轰击阳极的过程中，当某个具有足够能量的电子将阳极靶原子的内层电子击出时，于是在低能级上出现空位，系统能量升高，处于不稳定激发态。较高能级上的电子向低能级上的空位跃迁，并以光子的形式辐射出标识X 射线谱．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。2．X 射线的探测因人的肉眼看不见 X 射线，故利用它与物质相互作用是发生的现象来判断其有无和强度，主要有以下几种方法：(1) 荧光屏法当X 射线照射到荧光物质上时，荧光物质受激发而发出可见的荧光，由此确定X 射线的有无和强弱。例如把计算器放在荧光屏前，用不同的管高压和管电流来照射，发现：当管电流一定时（一般取I = 1.00 mA），高压越大，透射象的强度越强，清晰程度越好；同样，当高压一定时（一般取U = 35 KV），电流越大，透射象的强度越强，清晰程度越好。(2) X 射线照相法X 射线对照相底片的作用与普通可见光很相似。因此在记录衍射花样时广泛使用照相底片。例如：把胶片放在胶片架上，用不同的管电流和照射时间来照射，发现：在相同的时间照射下，管电流越大，即X 射线强度越强，胶片越黑；在X 射线的强度一样下，照射时间越长，胶片也越黑。也就是说X 射线照射剂量越大，胶片越黑。(3) 电离法X 射线光子和高速电子一样，也能引起气体电离，即从气体分子中打出电子，同时产生一个正离子。电离现象可以作为测量X 射线强度的基础。3．布拉格反射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0.2 nm 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（Max Theodor Felix Von Laue）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2 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3 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），那么容易看出，图中两条射线1 和2 的程差是AC+DC，即2d sinθ 。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）：2d sinθ = nλ, n =1,2,?? （１）在θ方向射出的X 射线即得到衍射加强，上式就是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