X射线系列实验

实验室和教师介绍

X射线系列实验的实验室位于物理楼332房间,由俞熹和张远波两位老师负责教学, 俞熹和潘正元老师负责技术支持。

实验室可提供的主要器材

德国莱宝公司的X射线实验仪及其附件。 其他实验室常用仪器材料。

实验目的、意义和要求

X射线的发现揭开了人类研究微观世界的序幕,X射线的研究在物理学从经典物理发展到量子物理学的过程中,起了十分重要的作用,X射线的应用使物理学、化学、生理学、医学等学科发生了重大的变化。从1901年伦琴因发现X射线得诺贝尔物理学奖到1979年科马克等因发明X射线CT扫描仪得诺贝尔医学奖的80年中,因X射线方面的研究工作而得诺贝尔物理学奖、化学奖、生理学或医学奖的项目达16项、科学家达24人(平均每5年就有1项研究X射线的成果获诺贝尔奖)。有关X射线的实验非常丰富,其内容十分广泛而深刻。本实验要求利用德国莱宝公司的X射线实验仪及其附件,做一系列有趣的实验,从而对X射线的产生、特点和应用有较深刻的认识,并提高独立从事研究工作的能力。

实验前应回答的问题

(一) 关于X射线及其产生

  • 什么是X射线?伦琴是在什么情况下发现X射线的?
  • 什么是软X射线?什么是硬X射线?它们的波长范围如何?它们在性质上和应用上的主要差别是什么?
  • X射线通常是怎样产生的?什么是X射线的特征谱线?什么是轫致辐射?特征谱与轫致辐射谱有什么区别?它们的产生机理有什么区别?
  • X射线管的结构如何?不同阳极材料的X射线管所产生的X射线有何区别?当X射线管的电压和电流改变时,其轫致辐射谱和特征谱各有什么改变?
  • 金属材料的X射线发射谱能说明该材料的什么特性?

(二) 关于X射线的特点

  • X射线与一般电磁波的主要区别是什么?X射线为什么可用作医学诊断、工业探伤或机场安检?
  • 物质对X射线吸收的机理是什么?这种吸收与物质的原子序数有何关系?与物质的厚度有何关系?与X射线的波长有何关系? 什么是物质对X射线的“吸收边界”?
  • 如何探测X射线?如何利用X射线能使气体电离的性能来探测X射线?
  • 什么是G-M计数管的工作原理?举例说明如何利用X射线能产生荧光的性能和X射线能使照相底片曝光的性能来探测X射线。
  • 测量所得的X射线强度符合怎样的统计规律?探测 X 射线的时间与其强度的不确定度有什么关系?

(三)关于有关 X 射线的一些效应和定律

  • 什么是康普顿效应?它是康普顿在哪一年在什么情况下发现的?它主要说明了什么?什么是康普顿波长?
  • 什么是莫塞莱定律?它是莫塞莱在哪一年、在什么情况下发现的?它主要说明了什么?
  • 什么是里德堡常量?什么是原子壳层的结合能和屏蔽系数?K壳层的屏蔽系数在什么原子序数范围内可视为常数?
  • 什么是普朗克常量?什么是Duane-Hunt关系?如何解释这一关系?

(四)关于X射线衍射与晶体结构

  • X射线在单晶体上为什么会产生类似于光栅的衍射现象?这种衍射的强度与晶面间距和X射线的波长有何关系?这种关系是谁首先发现的?它有何主要应用?
  • 什么是德拜相图?什么是劳厄相图?它们是如何形成的?有何功用?

实验内容

  1. 设计实验,设法观察自制样品(如计算器、笔袋、小鱼、鼠尾等)的X射线透视象,改变实验条件,从中得出观察的最佳条件,并讨论此结论
  2. 设计实验,用已知晶面间距的NaCl单晶调校X射线实验仪中测角仪的零点,让它处于最佳工作状态。
  3. 用上述已调好的X射线实验仪测量LiF单晶和其他单晶样品的晶面间距,并验证布拉格公式。
  4. 分别观察和研究X射线管的电压、电流对于它发出的X射线谱的影响,并从理论上解释之。
  5. 设计实验,利用材料的选择吸收,使Mo靶发出的X射线成为“单色光”,并测量这种单色光的光谱。
  6. 设计实验,测量同种材料、不同厚度样品的X射线透射率,寻找透射率与材料厚度的关系并解释之。
  7. 设计实验,测量相同厚度、不同材料样品的X射线透射率,寻找透射率与材料原子序数的关系并解释之。
  8. 设计实验,研究材料的吸收系数与X射线波长的关系,并解释之。
  9. 设计实验,利用该X射线实验仪演示康普顿效应(注意,为保证实验数据的不确定度足够小,应如何选取每个数据的测量时间?)。
  10. 设计实验,验证Duane-Hunt关系,测量普朗克常量。
  11. 设计实验,验证莫塞莱定律,测定里德堡常数。
  12. 拍摄多晶样品的德拜相图和单晶样品的劳厄相图,从中得出研究结论。
  13. 设计实验,研究X射线的电离效应,测量电离效率与X射线管的电压、电流的关系,并解释之。
  14. 设计实验,研究你感兴趣的有关X射线方面其他问题。
  15. 研究吸收系数与原子序数的4次方关系。
  16. 钼能级精细结构的研究。

实验报告要求

  1. 说明做了哪些X射线实验及这些实验的目的、意义。
  2. 各实验的原理与设计思想的简要阐述。
  3. 各实验的实验过程、数据记录、处理和讨论。
  4. 实验中发现的各种问题及其解决方法;进一步实验的设想。
  5. 对X射线系列实验的总评价、收获和改进意见。

参考书目

  1. 沈元华,陆申龙. 基础物理实验. 北京:高等教育出版社,2003.
  2. 杨福家. 原子物理学(第三版). 北京:高等教育出版社,2000.
  3. 李志超等. 大学物理实验(第三册). 北京:高等教育出版社,2001.
  4. 倪光炯等. 改变世界的物理学(第二版). 上海:复旦大学出版社,1999.
  5. 黄胜涛. 固体X射线学. 北京:高等教育出版社,1985.
  6. 郭普玲,沈慧君. 诺贝尔物理学奖一百年. 上海:上海科学普及出版社,2002.
  7. [美] B.D. 柯列迪著,冯根源译. X射线金属学. 北京:中国工业出版社,1965.
  8. Leybold Didactic. Technical Documentation for X-ray Apparatus.

注意事项

  1. 本实验仪器有铅玻璃门,又有自动保护装置(即铅玻璃门一打开,X光管自动关闭),实验进行时是安全的,但要注意一切实验应在铅玻璃门关闭下进行。
  2. 由于X光管温度很高,寿命有限,当不进行实验或数据处理时,应及时关掉仪器,延长仪器使用寿命。
  3. 本实验使用的NaCl晶体或LiF晶体都是价格昂贵而易碎、易潮解的娇嫩材料,要注意保护:
  • 平时要放在干燥器中;使用时要用手套;只接触晶体片的边缘,不碰它的表面;不要使它受到大的压力(用夹具时不要夹得太紧);不要掉落地上。

参考资料

LEYBOLD physics Leaflets 中的P7.1.2.1,P6.3.3.1,P6.3.3.7等等。

tzpx.jpgx%E5%85%89%E7%AE%A1%E5%8E%9F%E7%90%86.jpgdcpx.jpg

我有问题

请问套在X光出射缝上的Mo,Ag,In吸收片的厚度是多少?和吸收板附件套中对应的厚度一致吗?——王静怡
请问材料的吸收边是如何定义的?在散射截面-波长曲线上具体如何确定?——陈立坤
此实验的图应该如何画?怎样找到最高点?
这个问题好像是《普通物理实验》的内容,请到X光实验--X光透视与食盐晶体的结构分析去看答案! — 乐永康 2007/10/25 21:25
该实验的第三个实验的仪器有问题,实验无法做成功。
仪器有问题,当时没有和老师讨论吗?能否说的具体一点:具体是什么现象,你是怎么分析的,你做了些什么以解决遇到的问题? — 乐永康 2009/04/18 00:50
网站与讲义上的实验内容不大一样,应该以哪个为准呢? —KeFs 2009/09/13 13:44
老师:X光实验用的软件X-ray Apparatus 网上下不到啊,能不能给个下载?
Leybold的网站上可以下载到最新的软件,当然你也可以到实验室的机器上copy。 但个人觉得如果你只是想要完整的数据的话,在实验室里直接把数据存到excel或origin里面,可能更方便你回去做数据分析。— 苏卫锋 2010/10/27 09:36
请问 Draw K-edge 时标示区域该如何选取?
需要转化为λ 坐标后,鼠标右键可以看到 Draw K-edge,然后用鼠标左键选取范围。
请问晶体的光滑程度,以及不同程度的电压和电流会不会对实验产生影响?虽然这不是在实验内容中,不过鉴于第一个实验有这方面的操作,故希望了解一下。
在处理实验数据的时候发现,实验补充讲义上给出的NaCl晶体晶面间距为0.283nm,而在x-ray apparatus软件中Settings中的NaCl晶面间距2d=564.02pm是不一致的(LiF 402.07pm)。wiki上给的NaCl晶格常数a=564.02pmhttp://en.wikipedia.org/wiki/Sodium_chlorideLiF是403.51pm,http://en.wikipedia.org/wiki/Lithium_fluoride调零的准确与否直接影响之后的实验,而书上和仪器配套软件给出的氯化钠晶体晶面间距不同。我建议课本上将NaCl晶面间距0.283nm改成2d=564.02pm。或者phylab网站上能够给出晶体供应商那里得到的晶面常数的数值作为已知参量来调零。 — 刘文晶 2014/03/24 14:58
在讨论引起特征峰展宽的因素时,我经过简单推理排除次要因素后认为主要原因有二:X光未水平出射,导致横坐标与真实值有一定错位,而这种错位不是线性的,故导致展宽;电子云密度强弱分布连续变化而非delta函数,因此衍射后引起展宽。对此结论收到了俞老师的一个大大的叉,旁边写着“出射缝宽”。。但我觉得出射缝量级在mm,为宏观尺度,对晶体犹如平行光入射,怎么会对展宽有影响呢?表示不解啊!
首先,留言请注明姓名。这个问题我觉得峰的展宽跟我们激光物理上的激光光谱的展宽有类似之处,你可以去看看是否有道理。 — 沈金辉 2014/04/11 23:01
看了一下,好像蛮有道理的。果然各种知识都是有用的。谢~
实验室里的吸收片厚度都有标准值,去老师那里查了一下,希望大家以后不要再用千分尺伤害它们了;-)
 
exp/xray.txt · 最后更改: 2017/06/01 11:51 由 13307110233
 
除额外注明的地方外,本维基上的内容按下列许可协议发布:CC Attribution-Noncommercial-Share Alike 3.0 Unported
Recent changes RSS feed Donate Powered by PHP Valid XHTML 1.0 Valid CSS Driven by DokuWiki