实验十二X——ray案例.docx

实验X光实验【实验目的】了解用电子加速轰击金属靶产生X光的方法与X光的特性。了解晶体衍射（布拉格衍射）测量晶格常数的原理和方法。了解材料对 X光吸收特性。【实验原理】电子加速轰击金属靶发射X光当具有一定能量的电子和原子相碰撞时，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)。当电子从高能态回归到低能态，或被电离的原子(离子)与电子复合时，就会发光。这是一般气体放电光源(如生活中常用的日光灯、实验室常用的汞灯、钠灯等)的基本发光过程。如果电子的能量高达几万电子伏(~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，通常为X光。例如，钼原子内主要有两对电子可在其间跃迁的能级，其能量差分别为17.4kev和19.6kev，电子从高能级跃迁到低能级时，分别发出波长为7.13l0-2nm和6.33 10-2nm的两种X光。这两种X光在光谱图上表现为两个尖峰(如图1中两尖峰曲线所示)，在理想情况下则为两条线，故称为“线光谱”，这种线光谱反映了该物质(钼)的特性，称为“标识X射线谱”或“X射线特征光谱”。此外，高速电子接近原子核时，原子核的库仑场要使它偏转并急剧减速，同时产生电磁辐射，这种辐射称为“轫致辐射”，只要电子的速度足够大，这种轫致辐射就能达到X光的频率范围。与标识谱不同，它的能量分布是连续的，在光谱图上表现为很宽的光谱带，称为“连续谱”(如图1中的宽带曲线所示)。2．X光的布拉格散射由于X光的波长与一般物体中原子的间距同数量级，因此X光成为研究物质微观结构的有力工具。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(如图2所示)。1913年，英国科学家布拉格父子(W H．Bragg和W L Bragg)证明了X光在晶体上衍射的基本规律为： (1)其中，d是晶体的晶面间距，即相邻晶面之间的距离，是衍射光的方向与晶面的夹角，是X光的波长，k是一个整数，代表衍射级次。(1)式被称为布拉格公式。根据布拉格公式，既可以利用已知的晶体(d已知)通过测量角来研究未知X光的波长，也可以利用已知X光(已知)来测量未知晶体的晶面间距。本实验利用已知钼的X光特征谱线来测量氟化锂(LiF) （或氯化钠 NaCl）晶体的晶面间距。3．X射线与物质的相互作用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。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I0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I0与穿过物质后的透射强度I之比I/I0称为透射因数(见图3)。通常，透射因数越大，则吸收衰减越小。衰减的程度与物质的厚度成指数关系，即有下式：（2）式中μ是线衰减系数。我们也可写成：（3）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τa和散射系数σs构成。（4）对于X射线来说，其线吸收系数τa比散射系数σs大得多，所以一般散射系数σs可略,近似有μ=τa。（5） τa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τa是不连续的，它随入射波长的变化在某些值处，会出现突变。在图4中可见到吸收系数的突变处：K、L1、L2、L3，称为吸收限，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：（6）式中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。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。【实验内容】1．X光的晶体布拉格散射验证1．1用NaCI晶体(已知其晶面间距为0.283nm)调校测角器的零点。按ZERO键，使测角器归零