大学物理实验报告课程名称：近代物理实验实验名称：X射线系列实验学院：专业班级：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1-3NaCl 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2.5 7.8 6.3 312.7 10.1 99.5 13.9 57 17.7 36.5 21.5 24.5 2.6 12.7 6.4 467.7 10.2 87.8 14 59.8 17.8 29.7 21.6 19.2 2.7 9.7 6.5 671.8 10.3 89.2 14.1 58.2 17.9 32.3 21.7 21.8 2.8 12.5 6.6 630.8 10.4 85.3 14.2 54.2 18 28.5 21.8 20.82.9 10.8 6.7 347.7 10.5 84.2 14.3 59.7 18.1 29.7 21.9 25.53 12.5 6.8 280.2 10.6 85.5 14.4 59 18.2 28 22 26 3.1 9.8 6.9 266.2 10.7 78 14.5 76.7 18.3 32.7 22.1 36.7 3.2 7.8 7 268.3 10.8 72.8 14.6 241.5 18.4 26.2 22.2 85.2 3.3 12.5 7.1 301.8 10.9 72.8 14.7 378.3 18.5 33.2 22.3 104.8 3.4 11.2 7.2 800.7 11 71.2 14.8 300.5 18.6 27.3 22.4 74.5 3.5 11.8 7.3 1483.2 11.1 69.3 14.9 112.7 18.7 27.2 22.5 49 3.6 11.2 7.4 1437.8 11.2 68 15 49 18.8 29.5 22.6 23.2 3.7 14.8 7.5 466.2 11.3 66.2 15.1 42.7 18.9 26 22.7 20.5 3.8 31 7.6 221.7 11.4 72 15.2 46.5 19 28.3 22.8 193.9 89.2 7.7 199.7 11.5 68.3 15.3 49.3 19.1 28.3 22.9 19.54 162.7 7.8 190.7 11.6 61.5 15.4 50.7 19.2 27.2 23 19.2 4.1 228.8 7.9 194 11.7 58.8 15.5 44 19.3 32.2 23.1 20.7 4.2 271.5 8 182.8 11.8 61.3 15.6 46.5 19.4 31.2 23.2 18 4.3 321.3 8.1 176.7 11.9 57.3 15.7 40 19.5 28.5 23.3 18.7 4.4 342.3 8.2 177.5 12 53.2 15.8 40 19.6 37.2 23.4 17.2 4.5 355.2 8.3 175.5 12.1 54.5 15.9 43.3 19.7 49.3 23.5 16 4.6 380.3 8.4 160.7 12.2 54.3 16 49 19.8 51.5 23.6 15.3 4.7 395.5 8.5 157.7 12.3 62.2 16.1 41.8 19.9 31 23.7 15.7 4.8 406.5 8.6 152.2 12.4 59.2 16.2 40.8 20 25.5 23.8 16.84.9 418.3 8.7 156.8 12.5 51.7 16.3 38.8 20.1 23.5 23.9 16.55 395.3 8.8 147.8 12.6 62 16.4 38.2 20.2 22.3 24 15 5.1 408.3 8.9 140.5 12.7 68.8 16.5 39 20.3 22.8 24.1 15 5.2 407.2 9 132.8 12.8 84 16.6 37.5 20.4 20.7 24.2 16.7 5.3 391.5 9.1 129.8 12.9 90.5 16.7 37.3 20.5 19.7 24.3 16.8 5.4 378.7 9.2 124.2 13 144.2 16.8 37.8 20.6 25.7 24.4 18.2 5.5 379.2 9.3 117.3 13.1 140.5 16.9 34.7 20.7 18.8 24.5 15.7 5.6 371.8 9.4 117 13.2 86.8 17 37.8 20.8 24.2 24.6 14.7 5.7 363.8 9.5 109.7 13.3 62 17.1 36.5 20.9 22.5 24.7 16.3 5.8 345 9.6 111.5 13.4 62.2 17.2 33.3 21 23.2 24.8 16.75.9 346.7 9.7 97.2 13.5 58.3 17.3 33.5 21.1 20.7 24.9 126 316.3 9.8 100.3 13.6 57.8 17.4 33.7 21.2 21.2 25 17.7 6.1 309.2 9.9 97.7 13.7 54.2 17.5 31.3 21.3 21.26.2 306.7 10 95 13.8 58.3 17.6 31.2 21.4 21X射线在NaCl晶体的布拉格衍射示意图根据布拉格（Bragg）公式（其中）级数n掠射角波长1 α7.3β 6.563.8489 2 α14.7β13.063.4384 3 α22.3β19.863.6850 得：实验二：X射线的康普顿效应一、实验目的（1）通过X-射线在NaCl晶体上的第一级衍射认识钼阳极射线管的能谱，了解Edge absorption。