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X射线实验讲义

引言

1895年德国科学家伦琴（W.C.Roentgen）研究阴极射线管时，发现了X光，是人类揭开研究微观世界序幕的“三大发现”之一。X光管的制成，则被誉为人造光源史上的第二次革命。
现在，X射线在各种产业，科研等有着广泛和重要的应用。工业上用于非破坏性材料的检查，如X射线探伤；在基础科学和应用科学领域内，被广泛用于晶体结构分析，及通过X射线光谱和X射线吸收进行化学分析和原子结构的研究；医学上用来帮助人们进行医学诊断和治疗，如CT检查；等。有关的实验非常丰富，其内容十分广泛而深刻。本实验采用德国莱宝教具公司的X射线实验仪55481及其附件，可做一系列X射线的有趣实验，但由于时间限制，我们主要选做其中二个实验：X射线单晶衍射与钼金属特征谱的测量，杜红-昆特（Duane-Hunt）关系和普朗克常数h的测定。

实验目的
加深对X射线单晶衍射、布拉格反射与X发射谱特点的理解；
利用NaCl单晶的布拉格反射，测出钼Mo靶的X射线特征谱Kα、Kβ波长，测定X射线最短波长λmin与X光管电压U的杜红-昆特关系（Duane-Huntrelation）与普朗克常数h；
学会使用德国莱宝教具公司的55481型X射线仪与有关的测量软件X-RayApparatus。

实验原理

1.X射线一般特征
X射线是一种波长很短的电磁辐射，其波长约为10nm到10-2nm之间。具有很强的穿透本领，能透过许多对可见光不透明的物质，如纸、木料、人体等。这种肉眼看不见的射线经过物质时会产生许多效应，如能使很多固体材料发生荧光，使照相底片感光以及使空气电离等。波长越短的X射线能量越大，叫做硬X射线，波长长的X射线能量较低，称为软X射线。当在真空中，高速运动的电子轰击金属靶时，靶就放出X射线，这就是X射线管的结构原理。X射线发射谱分为两类：（1）连续光谱，由高速入射电子的轫致辐射引起的；（2）特征光谱，一种不连续的的线状光谱，是原子中最靠内层的电子跃迁时发出来的。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。X射线是电磁波，能产生干涉、衍射等现象。

图1NaCl晶体中氯离子与钠离子的排列结构单晶NaCl的布拉格反射
X射线经过晶体会发生衍射，
这种衍射现象可简化为晶面上反
射，称为布拉格反射。
NaCl晶体结构如图1所示。
布拉格反射原理如图2、图3所示。
根据衍射条件，得布拉格公式为：

其中，d是相邻两晶面间的距离。是入射X射线的波长，是掠射角，即入射X射线与晶面之间的夹角，是入射线与反射线夹角的一半。n是一个整数，为衍射级次。

(a)布拉格公式的推导（b）晶体中不同方向的平行面图2图3NaCl晶体布拉格反射原理图

NaCl晶体界面就是晶面，与此晶面对应的晶面间隔d已知，为d=282.01pm，若实验上测出掠射角与衍射级次n，就可以利用布拉格公式求出钼靶的X射线的波长。

3.杜红-昆特关系（Duane-Huntrelation）与普朗克常数h的测定
杜红-昆特关系是指X射线最短波长λmin与X光管电压U的反比关系：

。
（杜红-昆特关系推导见杨福家《原子物理学》
第六章，§29，最短波长λmin的位置见图4）。
测定普朗克常数h，要先求出与1/U的
比值：，
其中，光速、
电子电荷。实验上测出A，图4最短波长λmin的位置
就可以利用c、e数值求出普朗克常数h。

实验仪器与X－RayApparatus软件介绍

1．实验仪器
本实验使用的是德国莱宝教具公司生产的X射线实验仪55481型，如图5所示。
它的正面装有两扇铅玻璃门，既可看清楚X光管和实验装置的工作状况，又保证人身不受
监控区
X光管
实验区

A4
A3
A2
A1
A0
B3
B5
B4
B2
B1

图5X射线实验仪到X射线的危害，要打开这两扇铅玻璃门中的任一扇，必须先按下A0，此时X光管上的高压立即断开，保证了人身安全。
该装置分为三个工作区：中间是X光管，右边是实验区，左边是监控区。X光管的结构如图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光，钼靶受电子轰击的面呈斜面，以利于X光向水平方向射出。3是铜块、4是螺旋状热沉，用以散热。5是管脚。
2
5
1
3
4

图6X光管右边的实验区可安排各种实验（见图5）。
A1是X光的出口，做X光衍射实验时，要在它上面加
一个光谰（光缝）或称准直器，使出射的X光成为一个近似的细光束。
A2是安放晶体样品的靶台，安装样品的方法如图7所示：
把样品（平块晶体）轻轻放在靶台上，向前推到底；
将靶台轻轻向上抬起，使样品被支架上的凸楞