X光系列试验.DOC

X光系列实验之二 物理学 冯培培 0519017 摘要 利用X光与晶体作用的性质，测定氟化锂（LiF）晶体的晶面间距；检验莫塞莱定律（Moseley’s law）；几个小问题的解释。 关键词 布拉格公式，莫塞莱定律 引言 1895年德国科学家伦琴（W.K.Roentgen）发现X光，是人类揭开研究微观世界序幕的“三大发现”之一，X光管的制成，则被誉为人造光源史上的第二次大革命。X光也叫X射线，它在医学、工业、材料科学、天文学、生物学等方面的应用十分广泛。 正文 原理： X光的产生。波长在m到m范围的电磁波称为X光。当高速运动的电子和原子相碰撞时，一般都能发射X光。如果高速电子与原子中的内层电子相互作用，使其跃迁到外层甚至脱离原子的束缚，从而在原子的内层形成空位。这时，外层电子就会向内层跃迁，以填补空位，并发出波长较短的光子，通常为X光。 布拉格公式： X光获得最大反射率。 3.莫塞莱定律= 内层电子的电离是物质对X光吸收的主要原因。X光若要电离某一壳层的电子，则其能量E必须大于该壳层电子的结合能，即：E,用相应的波长来描述则有：。当波长小与而越接近于时，越容易激发电离，因而吸收系数越大；但一旦波长大于，吸收系数就会突然下降。因此，吸收系数在两侧有一个突变，可以预计吸收系数随波长的变化应如下图： 突变处的波长、、、...满足莫塞莱定律=。R为里德堡常数，Z为原子序数，称为K壳层的屏蔽系数。 实验仪器 X射线实验仪： 仪器左中右分别为监控区、X光管和试验区 实验所用软件为X-Ray Apparatus 实验： 1.调校测角器的零角。 几个关键点：靶台旋转7.2°，寻找计数率最大的传感器与靶台位置，反向旋转7.2， TARGET 7.1°，SENSOR 14.2°时计数率最大，反向旋转7.2°后重设零点。 2．测定LiF晶体的晶面间距 几个关键点和注意事项：拿取晶体时要带手套。每次测量时间为4S，角步幅0.1°，上限角34°，下限角4°。图像： 3.检验莫塞莱定律 U=35KV，I=1mA,角步幅0.1°，扫描时间5sec.NaCl晶体 β扫描范围 无吸收片 6.0°-7.5° Zr吸收片 6.0°-7.5° Mo吸收片 5.5°-7.0° Ag吸收片 4.0°-5.5° In吸收片 3.7°-5.0° 计数率和β关系图以及吸收边位置图如下 结果与讨论： LiF表面间距：利用公式，分别利用K=1，2，3时、峰角度求LiF表面间距最后平均得0.202nm ，3.2xnm。 检验莫塞莱定律： Z /Pm Zr 40 66.3 0.1228 Mo 42 61.4 0.1277 Ag 47 46.7 0.1463 In 49 42.8 0.1529 以为纵坐标，Z为横坐标，用oriqin拟合： Y=A+B*X B=（0.0034）， 计算得R=1.156，与理论值1.097373误差为5.4% =4.5，与理论值3.6相比误差为25% 可见，5.4%在可接受范围内，故符和莫赛来定律。 几个问题： 1.以NaCl晶体（晶面间距0.238nm）的X光反射图像： 同一K，左侧峰为，右侧为 图像上d1d2d3，而且利用已知晶面间距和布拉格定律计算得d1=0.8，d2=1.7，d3=2.5 由，我们观察y=arcsinx的图像（红色曲线）：在第一区间的一段，变大，这里的即实验中的是不变的，但是在想X正方向移动，因此，在增大，即随n增大在增大。=-,表面上，d1:d2:d3=1:2:3，但是=f(k)只有在趋向零时才接近于线性函数，所以这个表象是错误的。实际上d4=4.6，d5=6.7，显然不是线性关系。 2. 通过第一个问题的分析，解释了在实验中调校测角器时将靶台转到7.2°附近，因为理论上此时的反射率最大。当β角为7.2°时反射率最大，此时实验数据最容易观测。 这里用到的就是布拉格公式得出的7.2°时反射率最大，也就是实验中B1上行示数最大，假如仪器的零点已经准确，当旋转到7.2°时的示数应该是最大的，调节靶台位置后示数应该变小，如果调节时发现有更大的示数则表示原先的零点不准确，这时的位置就是正确的7.2°，因此，反向旋转7.2°就是相对原来更为准确的零点。 3.受到仪器精度的影响，最小角步幅为0.1°，导致左图“剃头”的波峰，实际波峰的角度应在两点之间。 小结： 一些小问题的解释虽然简单但却能使实验者充分了解X光系列实验的最基础的原理。有时对于某些细节的追究能使整个实验的思路豁然开朗。 另一方面，自己去思考比按部就班地做实验对于训练思维方法与实验操作要有帮助的多。 致谢： 感谢姚老师在实验中的指导，让我更好的理解本实验的相关原理。 参考文献： 沈元华，陆申龙. 基础物理实验. 北京：