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
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学生：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
实验常使用X光管来产生X射线。在抽成真空的X光管，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，靶一些原子的层电子会被轰出，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，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。·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
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，即。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）
布拉格（Bragg ）公式
在方向射出的X 射线即得到衍射加强。
图1-3
NaCl 晶体中氯原子
与钠原子的排列结构
（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（已知）通过测角来研究未知X射线的波长；也可以利用已知X射线（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
图1-6 X光管
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，发射电流，，=0.1分别按COUPLED和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的值（），此时图的横坐标由掠射角自动转变为波长（pm）。记录各级衍射峰的中心值（（），（）），并求出其平均值。
五、实验数据及数据处理
（1）X射线在NaCl晶体中的衍射
