X射线系列实验刘振0519038摘要本文介绍了X射线的产生及其特性.DOC

.X射线系列实验 刘振 0519038 摘要 本文介绍了X射线的产生及其特性，并做了几个相关实验，包括测定LiF晶体的晶面间距、测定X射线在铝中的衰减系数、检验莫塞莱定律、利用连续谱的短波极限测定普朗克常数等。 关键词 X射线 布拉格公式 朗伯定律 普朗克常数 引言 X射线是一种波长范围在0.01纳米到1纳米之间的电磁辐射形式。波长较短的X射线能量较大，称为硬X射线，其波长范围约为0.01纳米到0.1纳米；波长较长的X射线能量较小，称为软X射线，波长范围为0.1纳米到1纳米。 X射线又被成为伦琴射线或X光，它是1895年由德国物理学家伦琴发现的。在真空中高速运动的电子轰击靶时，靶就会放出X射线。放出的X射线有两种，一种是连续光谱的辐射，称为轫致辐射，另一种是不连续的、只有几条特殊频率的线状光谱，称为特征辐射。轫致辐射是由于高速电子减速时发射的光谱，因此与靶材料无关。而特征辐射则是高能电子轰击靶后使靶材料中的电子激发到高能态、高能态电子再跃迁回基态时发射的，因此特征光谱反应了靶材料的一些内部结构的信息，会因靶材料的不同而变化。 X射线具有很强的穿透本领，能透过许多对可见光不透明的物质，如人的皮肤肌肉、墨纸、木料等，因此医学上常用作透视检查，工业上常用来探伤。长期受到X射线辐射对人体会有伤害。X射线激发可见荧光、使感光乳胶感光、使空气电离等，故还可用电离计、闪烁计数器和感光乳胶片等检测。晶体的点阵结构对X射线可产生显著的衍射作用，X射线衍射法是研究晶体结构的一种重要手段。 一、测定氟化锂的晶面间距 由量子力学原理可知，X射线具有波粒二象性。由于X射线波长与固体中的原子间距相近，因此在经过晶体时X射线可发生明显的衍射现象。1913年英国物理学家布拉格父子得出了布拉格公式： ， 其中，为晶面间距；为入射X射线与晶面夹角，即衍射角的二分之一；为X射线的波长；为正整数。 实验所用仪器为德国莱宝公司的X射线实验仪。所用靶材料为钼，它有两个较强的特征谱线，波长分别为（线）和（线）。图1为LiF晶体的X射线扫描谱线。图上可看到有5条较明显特征谱，分别为线和线的一级、二级和线的三级衍射峰。由衍射角得到入射X射线与晶面的夹角后，得到5组数据，对和进行直线拟合，斜率即为LiF的晶面间距。由图2可以看出，实验测到的LiF的晶面间距为202.6pm，误差为0.2pm。 图1 LiF晶体的X射线扫描谱线 图2 和的直线拟合图 二、用电离腔探测X射线 当X射线通过冲有气体的空间时会使气体分子发生电离。若在空间两侧放上平行电容器，并加上适当电压，空间中被电离出的电子和离子就在电场作用下做定向运动形成电流。加的电压越大则测到的电流越大，但当电压达到某一阈值时，电离产生的电子和离子都能在电场作用下到达电容器两极，出现电流的饱和。此饱和电流与入射X射线的强度成正比，因此可用之探测X射线的强度。 离子电流Ic随极板电压Uc的变化规律 图3 Ic－Uc曲线图 图中从低到高三条曲线分别为X光管高压为0kV、25kV和35kV时Ic随Uc变化曲线。有图中曲线可知，当Uc达到约100V时，Ic就已经饱和，再增加Uc时Ic的变化不大。X光管高压越大，则对应的Ic的饱和值就越大。 饱和离子电流Ic随X光管流I的变化规律 由1可知，X光管高压35kV、电容器极板电压250V时，离子电流Ic已经饱和。如图4为此时饱和离子电流Ic随X光管流I的变化曲线。曲线近似为一条直线，Ic与I大致成正比。这是因为X光管流I越大，则单位时间内发射出的X光光子越多，单位时间内电离出的电子和离子就越多，电容器两极板间的载流子浓度越大，饱和电流就越大。 图4 Ic－I曲线图 3、饱和离子电流Ic随X光管高压U的变化规律 图5 Ic－U曲线图 实验中所用X光管阳极靶材料为钼，它的两个特征谱线波长分别为和，对应能量分别为17.5keV和19.7keV。因此当X光管高压小于20kV时，X光管中高速电子的动能不够大，不能使阳极靶材料放出它的两个特征谱线。此时电容器间的气体几乎不电离，因此没有极板电流的产生。 三、测定X射线在铝中的衰减系数 X射线在材料中的衰减满足朗伯定律：，其中为材料的厚度，为X射线在材料中的衰减系数，为入射X射线的强度，为出射X射线的强度。对朗伯定律的等式两边取对数后有：，因此实验中测得通过厚度为0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm、2.5mm和3.0mm的6块铝吸收板后的X射线强度I，对和d进行直线拟合，其斜率即为X射线在铝中的衰减系数。 图6 实验中测得的X射线在铝中的衰减系数为。 四、测定普朗克常数h X光管发射的连续谱称为轫致辐射，它是由高速电子在减速时发射的。光子的能量越高其波长越短，因此连续谱的光子的最大能量即最短波长，对应与高速电子的动能全部转化为光