實驗13 X光透視與食鹽晶體結(jié)構(gòu)分析

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1、“物理實驗基礎(chǔ)”教案----實驗7-13 物理教學(xué)實驗中心 實驗7-13 X光透視與食鹽晶體結(jié)構(gòu)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(xué)作了二學(xué)期，2002年下半年選為“大理科平臺”普通物理實驗。該實驗?zāi)苁箤W(xué)生直觀地認(rèn)識到X光的產(chǎn)生機(jī)制及其基本性質(zhì)，并可了解晶體衍射的初步知識。 2、實驗?zāi)康模? （1）了解X光產(chǎn)生機(jī)理及其基本性質(zhì)。 （2）淺嘗晶體結(jié)構(gòu)分析。 3、實驗原理補(bǔ)充： （1）韌致輻射的強(qiáng)度、波長與工作電壓、電流的大小有關(guān)

2、。 （2）X光特征譜的強(qiáng)度、波長與工作電壓、電流的關(guān)系。 （3）晶體衍射初步： 處在格點上是原子或離子，其內(nèi)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(qiáng)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(zhǔn)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(jī)正常及打印紙。 5、預(yù)習(xí)要求及質(zhì)疑： （1）通讀講義，了解實驗?zāi)康?、原理及步驟。對不懂的問題，準(zhǔn)備好問老師。 （2）寫預(yù)習(xí)報告，包括實驗名稱、原理簡述及電路圖。 （3）質(zhì)疑： ①X光是如何產(chǎn)生的？高速運(yùn)動的電子達(dá)到一定的金屬靶上，使金屬內(nèi)層電子電離或激發(fā)，外層電子躍遷到內(nèi)層，便會發(fā)出相應(yīng)的X光。 ②X光為何可做晶體結(jié)構(gòu)分析？因為X光波長與晶格常數(shù)相當(dāng)，可使晶體產(chǎn)生干涉和衍射。 6、實驗內(nèi)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(shè)置好了高壓、

4、管流，可為什么看不到透射像呢？（熒光屏防護(hù)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(shè)置、樣品的放置、儀器零點的調(diào)節(jié)等） · 如何調(diào)零？（參照課本選做內(nèi)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(guān)系時，應(yīng)采用什么樣的掃描模式呢？如何設(shè)置實驗條件？（targ

5、et模式掃描，高壓設(shè)置為25kV，管流設(shè)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(qiáng)度 透射象的清晰度 35 1 強(qiáng) 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(qiáng) 清晰 35 0.8 強(qiáng) 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(biāo)識譜線的強(qiáng)度與管壓和管流的關(guān)系：，由該式可知，產(chǎn)生X光的強(qiáng)度與管壓成指數(shù)關(guān)系，與管流成線性關(guān)系，且當(dāng)管壓小于一定值時，將無法打出鉬靶內(nèi)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(nèi)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(yùn)動的電子打到金屬靶上，使其內(nèi)層電子被打到最外層或電離掉。其他各層的電子向此內(nèi)層躍遷，發(fā)出X光特征譜。如果改變電壓，其波長不變，而強(qiáng)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(yùn)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(qiáng)度隨電壓減小而減小。 （2） 因為X光穿透能力強(qiáng)，利用X光能看到密封容器

10、內(nèi)的物體。但并非能看到任何容器內(nèi)的物體，比如金屬等。 （3） 在實驗內(nèi)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(nèi)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(zhuǎn)動。保證出射角等于入射角。 （5） X光能進(jìn)行晶體經(jīng)過分析，因其波長與晶格常數(shù)相當(dāng)，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(biāo)準(zhǔn)： 1）預(yù)習(xí)報告：2分 實驗?zāi)康模?.4分、實驗原理：0.6分（包括X

11、光的產(chǎn)生機(jī)理，對透射像的觀察及布拉格公式）、實驗內(nèi)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(yīng)分?jǐn)?shù)，不合要求的酌減，上課遲到10分鐘以內(nèi)扣0.2分，超過10分鐘扣0.5分。若預(yù)習(xí)報告原封不動照抄課本則預(yù)習(xí)分?jǐn)?shù)減半。 2）實驗操作：4分 獨(dú)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(xì)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(dú)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(jié)果與討論：1分 有自己獨(dú)到的見解：1分 4）其它： ①、以上實驗，若學(xué)生做了選作內(nèi)容，可加0.5分左右，不超過1分，相當(dāng)于占用“有自己獨(dú)到的見解”部分的分值。 ②、實驗數(shù)據(jù)處理或?qū)嶒炗懻摪l(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?jǐn)?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(rèn)，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(rèn)真地訂正報告中的錯誤，可適當(dāng)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(xué) 北京大學(xué)出版社 P31—38。 （2）劉玉華等 原子物理學(xué) 北京師范大學(xué)出版社 P155—163。