實驗13 X光透視與食鹽晶體結構分析

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1、“物理實驗基礎”教案----實驗7-13 物理教學實驗中心 實驗7-13 X光透視與食鹽晶體結構分析 1、實驗沿革： 這個實驗是先買了一臺儀器，做小課題實驗，讓少數(shù)同學作了二學期，2002年下半年選為“大理科平臺”普通物理實驗。該實驗能使學生直觀地認識到X光的產(chǎn)生機制及其基本性質，并可了解晶體衍射的初步知識。 2、實驗目的： （1）了解X光產(chǎn)生機理及其基本性質。 （2）淺嘗晶體結構分析。 3、實驗原理補充： （1）韌致輻射的強度、波長與工作電壓、電流的大小有關

2、。 （2）X光特征譜的強度、波長與工作電壓、電流的關系。 （3）晶體衍射初步： 處在格點上是原子或離子，其內部的電子在外來的電磁場的作用下做受迫振動，成為一個新的波源，向各個方向發(fā)射電磁波。即X射線照射下，晶體中的每個格點成為一個散射中心。它們發(fā)出的電磁波頻率與外來X射線頻率相同，而且這些散射是彼此相干的，將在空間發(fā)生干涉。 晶體中的衍射可以分為點間干涉和面間干涉。從點間干涉考慮得到每個晶面衍射主極強方向的條件是q = q ￠，即沿反射方向。從面間干涉考慮得到光程差必須是l 的整數(shù)倍，2dSinq = kl，這就是布拉格條件。 4、實驗前的準備： （1）檢查實驗所用晶

3、體是否齊全，一次性手套是否備好。 （2）打印機正常及打印紙。 5、預習要求及質疑： （1）通讀講義，了解實驗目的、原理及步驟。對不懂的問題，準備好問老師。 （2）寫預習報告，包括實驗名稱、原理簡述及電路圖。 （3）質疑： ①X光是如何產(chǎn)生的？高速運動的電子達到一定的金屬靶上，使金屬內層電子電離或激發(fā)，外層電子躍遷到內層，便會發(fā)出相應的X光。 ②X光為何可做晶體結構分析？因為X光波長與晶格常數(shù)相當，可使晶體產(chǎn)生干涉和衍射。 6、實驗內容： （1）觀察X光透射現(xiàn)象。 （2）測出NaCl的衍射譜并記下各峰的值。 7、實驗中常見的問題及解決辦法： · 設置好了高壓、

4、管流，可為什么看不到透射像呢？（熒光屏防護罩是否已打開，光縫是否已卸下？） · 如何記錄實驗現(xiàn)象呢？（注意不要同時改變兩個變量） · 拿取NaCl晶體時，一定要小心輕放、愛惜樣品，使用完畢，放入干燥缸。 · 為何反射曲線跟書上的例圖有如此大差距？（提示：檢查實驗條件的設置、樣品的放置、儀器零點的調節(jié)等） · 如何調零？（參照課本選做內容二） · 為何反射曲線上峰是一對一對出現(xiàn)的呢？（鉬有兩條特征譜線） · 為何不直接取反射曲線上的各峰值點計算NaCl的晶面間距？（作圖軟件不是曲線擬合數(shù)據(jù)） · 研究X光的吸收與材料厚度關系時，應采用什么樣的掃描模式呢？如何設置實驗條件？（targ

5、et模式掃描，高壓設置為25kV，管流設置為0.3mA） 8、典型數(shù)據(jù)： （1）透射現(xiàn)象 U / KV I / mA 透射象的強度 透射象的清晰度 35 1 強 清晰 31.5 1 減弱 清晰 28 1 減弱 清晰 24.5 1 減弱 不清晰 21 1 近無 沒有透射象，只有模糊黑影 35 0.9 強 清晰 35 0.8 強 清晰 35 0.7 減弱 清晰 35 0.6 減弱 清晰 35 0.5 減弱 清晰 35 0.4 減弱 次清晰 35 0.3 減弱 次清晰 35 0.2

6、很弱 模糊 35 0.1 很弱 模糊黑影 對實驗現(xiàn)象的分析： K系標識譜線的強度與管壓和管流的關系：，由該式可知，產(chǎn)生X光的強度與管壓成指數(shù)關系，與管流成線性關系，且當管壓小于一定值時，將無法打出鉬靶內層電子產(chǎn)生x光。 （2）測定NaCl的晶面間距 第一個峰值 第二個峰值 第三個峰值 第四個峰值 第五個峰值 第六個峰值 b/ o R / s-1 b/ o R / s-1 b/ o R / s-1 b/ o R / s-1 b/ o R / s-1 b/ o R / s-1 6.2 886.6 7.0 1192.0 12.7

7、 166.6 14.3 160.0 19.5 78.2 22.0 108.2 6.3 1185.6 7.1 2226.2 12.8 245.4 14.4 413.2 19.6 94.8 22.1 161.6 6.4 1299.0 7.2 2511.0 12.9 299.8 14.5 698.4 19.7 59.0 22.2 156.6 6.5 997.6 7.3 1817.6 13.0 206.2 14.6 599.0 19.8 44.6 22.3 98.8 6.6 731.0 7.4 966.0

8、13.1 132.6 14.7 297.8 19.9 44.8 22.4 51.0 作圖處理數(shù)據(jù)： 計算：由公式2dSinq = kl，可計算出食鹽的晶面間距d。 k 1 1 2 2 3 3 l / nm 0.0631 0.0711 0.0631 0.0711 0.0631 0.0711 角度b/ ° 6.37 7.18 12.88 14.53 19.57 22.14 d / nm 0.2844 0.2844 0.2831 0.2834 0.2826 0.2830 \d = (0.2844 + 0.2844

9、+ 0.2831 + 0.2834 + 0.2826 + 0.2830) ′1/6 = 0.2835/nm 9、選做內容簡述： 可做LiF的衍射譜。 10、思考題解答： （1） X光的特征譜是這樣產(chǎn)生的：高速運動的電子打到金屬靶上，使其內層電子被打到最外層或電離掉。其他各層的電子向此內層躍遷，發(fā)出X光特征譜。如果改變電壓，其波長不變，而強度會隨電壓減小而減小。X光的連續(xù)譜是這樣產(chǎn)生的：高速運動的電子打到金屬靶上，因受原子核的庫侖場的作用而減速，產(chǎn)生連續(xù)的電磁波。如果改變電壓，其波長會隨電壓減小而增加，其強度隨電壓減小而減小。 （2） 因為X光穿透能力強，利用X光能看到密封容器

10、內的物體。但并非能看到任何容器內的物體，比如金屬等。 （3） 在實驗內容（一）中，管端電壓降低到2/3左右時，已差不多看不到X光透射象，是因為電子速度不足以打出內層電子，沒有X光產(chǎn)生；而電流降低到1/10左右還能看到X光投射象，是因為還有X光產(chǎn)生。 （4） COUPLED（偶合）掃描模式是靶臺與探測器同時在一定角度下轉動。保證出射角等于入射角。 （5） X光能進行晶體經(jīng)過分析，因其波長與晶格常數(shù)相當，可產(chǎn)生干涉和衍射。 （6） X光管的陽極要散熱，因為電子打到靶上會產(chǎn)生熱量而燒壞陽極金屬靶。 11、評分標準： 1）預習報告：2分 實驗目的：0.4分、實驗原理：0.6分（包括X

11、光的產(chǎn)生機理，對透射像的觀察及布拉格公式）、實驗內容或步驟0.4分、數(shù)據(jù)表格0.6分（包括對實驗現(xiàn)象觀察的半定量表格，和衍射曲線數(shù)據(jù)記錄的表格） 以上要素每缺少1個扣相應分數(shù)，不合要求的酌減，上課遲到10分鐘以內扣0.2分，超過10分鐘扣0.5分。若預習報告原封不動照抄課本則預習分數(shù)減半。 2）實驗操作：4分 獨立操作無明顯失誤：1分 實驗儀器的記錄：0.5分 實驗現(xiàn)象的記錄：1分（包括對實驗條件的記錄和現(xiàn)象的詳細描述） 實驗數(shù)據(jù)：1分（包括對實驗條件的記錄） 其它：0.5分（比如記錄實驗中的問題和想法、能正確回答老師提問、能獨立地解決實驗中出現(xiàn)的問題等） 3）實驗報告：4分

12、 對實驗現(xiàn)象的解釋：0.8分（高壓、管流的作用各0.4分） 作圖：0.6分（6個小圖，每個0.1分） d的計算：0.6分（每個0.1分，包括單位及有效數(shù)字） 實驗結果與討論：1分 有自己獨到的見解：1分 4）其它： ①、以上實驗，若學生做了選作內容，可加0.5分左右，不超過1分，相當于占用“有自己獨到的見解”部分的分值。 ②、實驗數(shù)據(jù)處理或實驗討論發(fā)現(xiàn)有抄襲現(xiàn)象，不管是抄襲者還是被抄襲者，實驗報告部分的分數(shù)全部扣除，并在發(fā)報告是給與警告。 ③、若實驗報告非常不整潔，難以辨認，可扣0.5分。 ④、若實驗報告遲交，實驗報告部分成績按80%記錄，實驗后2周仍未交報告的，實驗報告部分為0分。 ⑤、若認真地訂正報告中的錯誤，可適當加分。 12、考試題集錦： 13、參考資料及儀器說明書： （1）趙凱華 光學 北京大學出版社 P31—38。 （2）劉玉華等 原子物理學 北京師范大學出版社 P155—163。