同济大学 物理自选试验报告模板

20 自选试验报告

实验名称：X 光实验

姓名：_________ 学号:__________ 成绩：_________ 合作者：__________ 指导老师：_________ 实验编号：__________ 【实验目的】

1. 学习与了解 X 光的产生与特性 2. 进行 X 光基本实验与实验设计 3. 测量并验证X 光的布拉格衍射

4. 观察并记录X 光与物质相互作用的现象

【实验原理】

1. 认识X 光：X 光是1985德国物理学家伦琴（W.C.Rontgen,1845-1923）在实验中发现的。X 光的发现开创了人类探索微观物质世界的新纪元。X 光也叫X 射线，它是波长在__________________的电磁波。它在医学（如X 光诊断）、工业（如X 光探伤）、材料科学（如X 光分析）、天文学（如X 光望远镜）、生物学（如X 光显微镜）等方面的应用十分广泛。X 射线和物质相互作用时，会发生与可见光类似的反射、折射、偏振、吸收、散射等各种物理现象。

2.X 光的产生：当具有一定能量的电子和原子碰撞时, 可把原子的外层电子撞击到高能态(称为激发) 甚至击出原子(称为电离) 。如果电子的能量很高（高达几万电子伏：~1014焦耳）时, 它就可能把原子的内层电子撞击到高能态，甚至击出原子。这时，原子的外层电子就会向内层跃迁, 其所发出的光子能量较大，即波长较短，通常称为X 光。

【实验仪器】

【实验步骤与具体原理分析】

① X 光的布拉格衍射：

【原理】

当X 光射入原子有序排列的晶体时，会发生类似于可见光入射到光栅时的衍射现象．1913年，英国科学家布拉格父子证明了X 光在晶体上衍射的基本规律为：________________。公式中的d 是晶体的晶面间距，即相邻晶面之间的距离，θ为掠射角（X 射线与晶面的夹角），λ是X 光的波长，n 是一个整数，为衍射级次。实验利用特征X 光谱线和已知d 的晶体，测量验证衍射光的θ角。X 光衍射实验测量采用NaCl 单晶（晶格常数d 的理论值为 282pm 。）和LiF 单晶(理论值 d=201Pm)作样品。 【步骤】

1. 由X 射线通过NaCl 单晶的布拉格衍射调校测角器的零点。 (1).打开X 光实验仪电源。按ZERO 键，使测角器归零。

(2).按住玻璃门下方的按钮，将准直器安装在X 光出射孔处（如已安装好可不必动），NaCl 单晶样品放置在样品台上（为防样品潮解，拿取样品时需戴上手套），调节样品到准直器与传感器的距离各为5CM 左右。关上玻璃门。启动“X-ray Apparatus ”软件。按F4键清除所有已存的数据。软件设置：X 轴为角度。Y 轴为X 光粒子数单位时间强度，表示为R-1/S。

(3).进行X 光实验参数设置：管电压U=35.0kv、管电流1.0mA 、测量时间步长△t=5s、角步长△ß=0.1°、控制测量下限角2.5º、上限角为12°。

(4)按下COUPLED 键，打开SCAN （On/Off开启/关闭自动扫描）进行自动扫描。计算机上实时地测出X 射线通过NaCl 单晶的布拉格衍射的数据与绘出曲线。实验进行时，NaCl 晶体放在样品平台上，随测角器转动，从而改变X 射线的掠射角θ，GM 计数器与测角器以2：1 转速耦合转动。反射X 射线进入GM 计数器。

如实验测出的一级最大衍射角不在7.2º，则需对仪器零度重新定位。定位方式是：在COUPLED 模式下，用手转动b2寻找:计数率最大的角度减去7.2º位置, 此时应为真正的零点位置。同时按下TARGET 、COUPLED 和零点调校好后，可将测量上限角扩展到

30°，再一次对NaCl 晶体进行自动扫描。可测得三级衍射角，计算与分析各衍射角的实验误差。并将实验数据与图线保存下来。 2. 测量 X 射线通过 LiF 单晶的布拉格衍射曲线：

在以上实验完成的基础上，将样品换成LiF 单晶。实验参数设置基本与以上实验同（上限角扩展到35°）。就可测绘出X 射线通过LiF 单晶的布拉格衍射曲线，根据测出的各级衍射角，计算LiF 晶体的晶格常数d ，与其理论值d=201Pm)比较百分误差。

② X 射线与物质的相互作用：

【原理】

X 射线穿过物质时，具有一定的穿透能力，但由于物质的吸收作用，使射线强度要衰减，一束强度为___的X 射线垂直入射到吸收介质上，入射的X 射线强度将由于和吸收物质的相互作用而衰减。X 光的入射强度与穿过物质后的透射强度___之比_______称为透射因数。透射击因数越大，则吸收衰减越小。衰减的程度与物质的厚度成指数关系，如下式：_______________，也可以写___________。引起衰减的原因主要是物质对X 射线的吸收和散射，因此线衰减系数μ是由吸收系数τ 和散射系数σ 构成___________________

对于X 射线来说, 其线吸收系数τ 比散射系数σ 大得多, 所以一般散射系数σ 可略去，近似有：_________________。可理解为主要由于光电效应所引起的入射X 光通过单位厚度(cm)介质时吸收衰减率的大小。 另外，吸收系数 是不连续的，它随入射波长的变化在某些入值处, 会出现突变，称为吸限，也叫吸收沿。吸收限的产生是由于入射X 光子能量恰使吸收体的原子在某壳层能吸收该能量后产生电离，物质的吸收作用突然增加而形成的。同时应注意，各种物质对同一波长的X 射线吸收不同，同一物质对波长不同的X 射线吸收也各异。射线的波长愈短时, 吸收系数也越小，即X 射线对物质的穿透能力也越大。在各段吸收曲线中，近似地服从以下关系：__________________________ K 在一定波长范围内为一常数，Z 是吸收物质的原子序数。就是说, 对一定波长的X 射线, 重元素比轻元素吸收作用大，其吸收量与Z4成正比。 【步骤】

1. 实验器材中有 2 个吸收体。同种物质铝（AI ，Z=13），厚度分别为:0.5mm、1.0mm 、 1.5mm 、2.0mm 、2.5mm 、3.0mm 的6块吸收板。实验时，拆卸靶支架并从支架上拿走靶台。关上铅玻璃门，按下 SENSOR 键，打开 HV ，调节b2 键使传感器处于计数率最大处。然后将吸收体的滑槽放进靶支架弯曲的狭缝中。

2. 测量不同厚度的铝材料的透射因数及衰减系数时，可不用计算机。实验需采用两种方法进行：

（1）没有滤波片时设置：U=21KV，I=0.05mA，∆t=100s，△ß =0。 （2）在准直器上套上圆形滤波片（滤波片符号：Zr ）时设置：U=21KV，I=0.15mA，∆t=200s，△ß =0。实验时均采用TARGET （靶）模式。实验过程中手动让靶（样品）每转动10°测量一次，每次测量X 光强度计数率R 后取平均值（按 REPLAY 键）。样品的空档所测得作为入射X 光强度为：1。将两方法分别测得列两表计算不同厚度所测得铝的透射因数及衰减系数。以d （铝材厚度：mm ）-lnT （透射因数）为X 、Y 轴作图(将两种方法测得两曲线画在同一张图上) ，进行实验结果分析与讨论。 【注意事项】

1. 为防样品潮解，拿取样品时需戴上手套。

2. 同时按下TARGET 、COUPLED 和β-LLMIT 三个键，从而确认该位置为新的零点位置。三键同时按下，必需谨慎，希望请指导老师确认一下。（如已在 7.2º，重新定位则不用进行） 【实验现象观察与记录】 1. 布拉格衍射图线

2. X 光与物质的相互作用

【实验数据处理】

1. Nacl 晶体透X 光验证Bragg 公式

不确定度估算：

实验测得Nacl 晶面间距： 与理论值的百分差：

__________________________________________________________________

不确定度估算： 实验测得X 光波长： 以理论值的百分差：

3. 测定LiF 晶体的晶面间距

不确定度估算：

实验测得LiF 晶体的晶面间距： 与理论值的百分差：

4. 测量X 光的吸收与材料厚度的关系

作___________________图由斜率法可求衰减系数：

不使用玻片时：

使用玻片时：

【实验分析与讨论】

利用物质对X 光的吸收作用，我们可以对吸收体(材料或生物体) 进行无损检测(也叫探伤、透视) 这种方法主要是根据X 射线经过衰减系数不同的吸收体时，所穿过的射线强度不同而实现的。若被检验的物质中存在着气泡、裂纹、夹杂物或生物体中的病变等，由于这些部位对X 射线吸收各不相同，因此在透射方向的感光底

片上便出现深浅不一的阴影。根据阴影可判断出物质内部缺陷的部位和性质。一般说来，缺陷的厚度仅为吸收体厚度的1%时，就可被检验出来。根据物质对X 光的吸收限特性，可作原子内层能级图。也能做成滤波片，使谱线单色化。