X 射 线 的 探 测 与 在 材 料 中 的 衰 减 X 射 线 是 德 国 科 学 家 伦 琴 (W.C.Röntgen) 于 1895 年 在 研 究 阴 极 射 线 管 时 发 现 的, 是 人 类 揭 开 研 究 微 观 世 界 序 幕 的 三 大 发 现 之 一, 给 医 学 和 物 质 结 构 的 研 究 带 来 了 新 的 希 望. 就 在 伦 琴 宣 布 发 现 X 射 线 的 第 四 天, 一 位 美 国 医 生 就 用 X 射 线 照 相 发 现 了 伤 员 脚 上 的 子 弹. 从 此, 对 于 医 学 来 说,X 射 线 就 成 了 神 奇 的 医 疗 手 段. 因 为 这 一 具 有 划 时 代 意 义 的 重 大 发 现, 伦 琴 于 1901 年 被 授 予 第 一 届 诺 贝 尔 物 理 学 奖. X 射 线 可 用 来 帮 助 人 们 进 行 医 学 诊 断 和 治 疗 ; 也 可 用 于 工 业 上 的 非 破 坏 性 材 料 的 检 查 ; 在 基 础 科 学 和 应 用 科 学 领 域 内, 则 被 广 泛 用 于 晶 体 结 构 分 析 化 学 分 析 和 原 子 结 构 的 研 究. 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 用 德 国 莱 宝 公 司 生 产 的 X 射 线 实 验 仪 及 附 件, 对 X 射 线 影 像 X 射 线 在 材 料 中 的 衰 减 进 行 研 究, 从 而 对 X 射 线 的 产 生 特 点 和 应 用 有 初 步 的 认 识. 实 验 目 的 1. 初 步 了 解 X 射 线 的 产 生 基 本 性 质 ; 2. 观 察 X 射 线 影 像 ; 3. 研 究 X 射 线 的 衰 减 与 吸 收 体 厚 度 的 关 系 ; 4. 研 究 X 射 线 的 衰 减 与 吸 收 体 物 质 的 关 系. 实 验 原 理 1. X 射 线 的 产 生 基 本 性 质 X 射 线 和 可 见 光 线 一 样, 也 是 电 磁 波 的 一 种, 不 同 的 是 较 之 可 见 光, 它 的 波 长 更 短, 介 于 紫 外 线 和 γ 射 线 之 间, 约 10 nm ~ 0.001 nm( 注 :1 nm = 10-9 m). 波 长 小 于 0.01 nm 的 称 为 超 硬 X 射 线, 在 0.01 ~ 0.1 nm 范 围 内 的 称 为 硬 X 射 线,0.1 ~ 10 nm 范 围 内 的 称 为 软 X 射 线. 其 中, 波 长 较 短 的 硬 X 射 线 能 量 较 高, 穿 透 性 较 强, 适 用 于 金 属 部 件 的 无 损 探 伤 及 金 属 物 相 分 析 ; 波 长 较 长 的 软 X 射 线 能 量 较 低, 穿 透 性 弱, 可 用 于 非 金 属 的 分 析. 医 学 上 采 用 的 X 射 线 波 长 为 1 nm ~ 10 nm X 射 线 的 产 生 有 多 种 方 式 高 速 运 动 的 电 子 流 γ 射 线 中 子 流 等 高 能 辐 射 流 在 突 然 减 速 时 均 能 产 生 X 射 线 目 前 最 常 用 的 方 式 是 通 过 高 速 运 动 的 电 子 流 轰 击 金 属 靶 来 获 得 的 在 实 验 室 中 X 射 线 由 X 射 线 管 产 生,X 射 线 管 是 具 有 阴 极 和 阳 极 的 真 空 石 英 管, 其 结 构 如 图 1 所 示 :1 是 接 地 阴 极, 即 电 子 发 射 极, 用 钨 丝 构 成, 通 电 加 热 后 可 发 射 电 子 ;2 是 阳 极 靶 材, 本 实 验 中 采 用 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.3 铜 块 和 4 螺 旋 状 热 沉 用 以 散 热.5 是 管 脚. 高 速 运 动 的 电 子 轰 击 阳 极 靶 时, 其 能 量 的 绝 大 部 分 图 1 X 光 管 结 构 图 (~99%) 转 化 为 热 能 而 损 失, 只 有 极 少 部 分 的 能 量 转 化 为 X - 1 -
射 线 所 以 X 射 线 管 工 作 时 靶 极 必 须 散 热 冷 却. 经 过 X 射 线 管 发 射 出 的 X 射 线 分 为 两 种 : 连 续 光 谱 和 标 识 光 谱. 能 量 为 eu 的 电 子 与 阳 极 靶 的 原 子 碰 撞 时, 电 子 失 去 自 己 的 能 量, 其 中 部 分 以 光 子 的 形 式 辐 射, 碰 撞 一 次 产 生 一 个 能 量 为 hν 的 光 子, 这 样 的 光 子 流 即 为 X 射 线. 单 位 时 间 内 到 达 阳 极 靶 面 的 电 子 数 目 是 极 大 量 的, 绝 大 多 数 电 子 要 经 历 多 次 碰 撞, 产 生 能 量 各 不 相 同 的 辐 射, 因 此 出 现 连 续 X 射 线 谱. 因 为 连 续 光 谱 是 由 于 高 速 电 子 受 靶 极 阻 挡 而 产 生 的 轫 致 辐 射, 所 以 其 短 波 极 限 λ 0 由 加 速 电 压 U 决 定 : λ 0 = hc/eu, 其 中 h 为 普 朗 克 常 数,e 为 电 子 电 量,c 为 真 空 中 的 光 速. 连 续 光 谱 又 称 为 白 色 X 射 线, 包 含 了 从 短 波 限 λ 0 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 2) 当 增 加 管 压 时, 电 子 动 能 增 加, 电 子 与 靶 的 碰 撞 次 数 和 辐 射 出 来 的 X 射 线 光 量 子 的 能 量 都 增 高, 因 此 连 续 谱 各 波 长 的 强 度 都 相 应 增 高,λ 0 减 小 当 管 压 不 变, 增 加 管 流 时,X 射 线 光 量 子 数 目 增 加, 连 续 谱 各 波 长 的 强 度 都 相 应 增 高, 但 光 量 子 能 量 不 变, 短 波 极 限 也 不 变 标 识 光 谱 的 产 生 则 与 阳 极 靶 材 的 原 子 内 部 结 构 紧 密 相 关 的. 原 子 系 统 内 的 电 子 按 泡 利 不 相 容 原 理 和 能 量 最 低 原 理 分 布 于 各 个 能 级. 在 电 子 轰 击 阳 极 的 过 程 中, 当 某 个 具 有 足 够 能 量 的 电 子 将 阳 极 靶 原 子 的 内 层 电 子 击 出 时, 于 是 在 低 能 级 上 出 现 空 位, 系 统 能 量 升 高, 处 于 不 稳 定 激 发 态. 较 高 能 级 上 的 电 子 向 低 能 级 上 的 空 位 跃 迁, 并 以 光 子 的 形 式 辐 射 出 标 识 X 射 线 谱. 每 种 元 素 各 有 一 套 特 定 的 标 识 谱, 反 映 了 原 子 壳 层 结 构 的 特 征. K 系 激 发 与 辐 射 是 将 原 子 系 统 的 K 层 电 子 击 走, 原 子 系 统 的 能 量 由 基 态 升 高 至 K 激 发 态, 这 个 过 程 称 为 K 系 激 发 K 层 能 级 被 高 能 级 电 子 填 充 时 产 生 的 辐 射 称 为 K 系 辐 射 K 系 辐 射 分 K α 辐 射 和 K β 辐 射 其 中 K β 辐 射 : 在 K 系 辐 射 中, 由 M 层 电 子 填 充 K 层 能 级 时 产 生 的 辐 射 K α 辐 射 : 在 K 系 辐 射 中, 由 L 层 电 子 填 充 K 层 能 级 时 产 生 的 辐 射 L 层 电 子 填 充 K 层 能 级 的 几 率 远 大 于 M 层 电 子 填 充 K 层 能 级 的 几 率, 故 K α 辐 射 产 生 的 光 量 子 数 目 远 大 于 K β 辐 射, 因 此 K α 辐 射 的 强 度 远 大 于 K β 辐 射 的 强 度 除 去 不 需 要 的 K β 线, 使 用 过 滤 片 是 最 简 单 的 单 色 化 方 法, 使 X 射 线 管 产 生 的 X 射 线 单 色 化, 同 时 使 用 K β 滤 波 片 还 可 以 吸 收 掉 大 部 分 的 白 色 射 线 本 实 验 采 用 锆 滤 片 X 射 线 的 强 度 是 指 单 位 时 间 内 通 过 与 X 射 线 传 播 方 向 垂 直 的 单 位 面 积 上 的 所 有 光 量 子 的 能 量 总 和 经 验 公 式 表 明 连 续 X 射 线 谱 的 总 强 度 与 X 射 线 管 电 流 (i) 阳 极 靶 材 的 原 子 序 数 (Z) 及 管 电 压 (V) 的 平 方 成 正 比 图 2 X 射 线 管 产 生 的 X 射 线 的 波 长 谱 2. X 射 线 的 探 测 因 人 的 肉 眼 看 不 见 X 射 线, 故 利 用 它 与 物 质 相 互 作 用 发 生 的 现 象 来 判 断 其 有 无 和 强 度, 主 要 有 以 下 几 种 方 法 : - 2 -
(1) 荧 光 屏 法 当 X 射 线 照 射 到 荧 光 物 质 上 时, 荧 光 物 质 受 激 发 而 发 出 可 见 的 荧 光, 由 此 确 定 X 射 线 的 有 无 和 强 弱. 例 如 把 计 算 器 放 在 荧 光 屏 前, 用 不 同 的 管 高 压 和 管 电 流 来 照 射, 发 现 : 当 管 电 流 一 定 时 ( 一 般 取 I = 1.00 ma), 高 压 越 大, 透 射 象 的 强 度 越 强, 清 晰 程 度 越 好 ; 同 样, 当 高 压 一 定 时 ( 一 般 取 U = 32 KV), 电 流 越 大, 透 射 象 的 强 度 越 强, 清 晰 程 度 越 好. (2) X 射 线 照 相 法 X 射 线 对 照 相 底 片 的 作 用 与 普 通 可 见 光 很 相 似. 因 此 在 记 录 衍 射 花 样 时 广 泛 使 用 照 相 底 片. 例 如 : 把 胶 片 放 在 胶 片 架 上, 用 不 同 的 管 电 流 和 照 射 时 间 来 照 射, 发 现 : 在 相 同 的 时 间 照 射 下, 管 电 流 越 大, 即 X 射 线 强 度 越 强, 胶 片 越 黑 ; 在 X 射 线 的 强 度 一 样 下, 照 射 时 间 越 长, 胶 片 也 越 黑. 也 就 是 说 X 射 线 照 射 剂 量 越 大, 胶 片 越 黑. (3) 电 离 法 X 射 线 光 子 和 高 速 电 子 一 样, 也 能 引 起 气 体 电 离, 即 从 气 体 分 子 中 打 出 电 子, 同 时 产 生 一 个 正 离 子. 电 离 现 象 可 以 作 为 测 量 X 射 线 强 度 的 基 础. 3.X 射 线 的 衰 减 X 射 线 穿 过 物 质 之 后, 强 度 会 衰 减 这 是 因 为 X 射 线 同 物 质 相 互 作 用 时 经 历 各 种 复 杂 的 物 理 化 学 过 程, 从 而 引 起 各 种 效 应 转 化 了 入 射 线 的 部 分 能 量 如 下 图 所 示 : 图 3 X 射 线 的 衰 减 假 设 入 射 线 的 强 度 为 R0, 通 过 厚 度 dx 的 吸 收 体 后, 由 于 在 吸 收 体 内 受 到 毁 灭 性 的 相 互 作 用, 强 度 必 然 会 减 少, 减 少 量 dr 显 然 正 比 于 吸 收 体 的 厚 度 dx, 也 正 比 于 束 流 的 强 度 R, 若 定 义 μ 为 X 射 线 通 过 单 位 厚 度 时 被 吸 收 的 比 率, 则 有 ( 图 3): dr = μrdx (1) 考 虑 边 界 条 件 并 进 行 积 分, 则 得 : R= R e μx (2) 0-3 -
透 射 率 T R =, 则 得 : R 0 T = e μx (3) 或 lnt=- μx (4) 式 中 μ 称 为 线 衰 减 系 数,x 为 试 样 厚 度 我 们 知 道, 衰 减 至 少 应 被 视 为 物 质 对 入 射 线 的 散 射 和 吸 收 的 结 果, 系 数 μ 应 该 是 这 两 部 分 作 用 之 和 但 由 于 因 散 射 而 引 起 的 衰 减 远 小 于 因 吸 收 而 引 起 的 衰 减, 故 通 常 直 接 称 μ 为 线 吸 收 系 数, 而 忽 略 散 射 的 部 分 本 实 验 研 究 X 射 线 的 衰 减 与 吸 收 体 厚 度 的 关 系, 以 及 吸 收 体 物 质 种 类 ( 原 子 序 数 ) 的 关 系 实 验 仪 器 1 X 射 线 实 验 仪 图 4 为 X 射 线 实 验 装 置 示 意 图, 其 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 了 人 身 不 受 到 X 射 线 的 危 害. 为 保 护 操 作 者 的 安 全, 一 旦 打 开 玻 璃 门,X 光 管 上 的 高 压 会 立 即 断 开. 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 在 实 验 原 理 中 已 介 绍, 这 里 不 重 复. 右 边 的 实 验 区 可 安 排 各 种 实 验. A1: 准 直 器 准 直 器 前 后 端 面 各 开 有 一 条 狭 缝, 使 得 从 准 直 器 出 射 X 光 形 成 一 束 平 行 的 片 状 光 束. 准 直 器 前 端 可 套 上 各 种 滤 波 器 ; A2: 安 放 晶 体 样 品 的 靶 台 ; A3: 装 有 G - M 计 数 管 的 传 感 器, 它 用 来 探 测 X 光 的 强 度.G - M 计 数 管 是 一 种 用 来 测 量 X 射 线 强 度 的 探 测 器, 其 计 数 率 与 所 测 X 射 线 的 强 度 成 正 比. 由 于 本 装 置 的 X 射 线 强 度 不 大, 因 此 计 数 管 的 计 数 率 较 低, 计 数 的 相 对 不 确 定 度 较 大 ;( 根 据 放 射 性 的 统 计 规 律, 射 线 的 强 度 可 表 示 为 N ± N, 故 计 数 率 N 越 大 相 对 不 确 定 度 越 小.) 延 长 计 数 管 每 次 测 量 的 持 续 时 间, 从 而 增 大 总 强 度 计 数 N, 有 利 于 减 少 计 数 的 相 对 不 确 定 度. - 4 -
监 控 区 X 光 管 实 验 区 B1 此 区 内 所 有 操 作 必 须 带 上 手 套 进 行!! B2 B3 B4 B5 A1 A2 A3 A4 图 4 X 射 线 实 验 仪 A2 和 A3 都 可 以 转 动, 并 可 通 过 测 角 器 分 别 测 出 它 们 的 转 角. A4: 荧 光 屏, 它 是 一 块 表 面 内 涂 有 荧 光 物 质 的 圆 形 铅 玻 璃 平 板, 平 时 外 面 有 一 块 盖 板 遮 住, 以 免 环 境 光 太 亮 而 损 害 荧 光 物 质 ; 让 X 光 打 在 荧 光 屏 上, 打 开 盖 板, 即 可 在 荧 光 屏 的 右 侧 外 面 直 接 看 到 X 光 的 荧 光, 但 因 荧 光 较 弱, 此 观 察 应 在 较 暗 的 环 境 中 进 行. 左 边 的 监 控 区 包 括 电 源 和 各 种 控 制 装 置. B1: 液 晶 显 示 区, 分 上 下 两 行, 上 行 显 示 G - M 计 数 管 的 计 数 率 N( 正 比 与 X 光 光 强 R), 下 行 显 示 工 作 参 数. B2: 大 转 盘, 用 来 调 节 和 设 置 各 参 数. 转 动 时 应 缓 慢 B3 含 五 个 设 置 按 键, 确 定 B2 所 调 节 和 设 置 的 对 象, 这 五 个 按 键 从 上 至 下 依 次 是 : 1) U: 设 置 X 光 管 上 所 加 的 高 压 值 ( 通 常 取 35 KV); 2) I: 设 置 X 光 管 内 的 电 流 值 ( 通 常 取 1.00 ma); 3) Δt: 设 置 每 次 测 量 的 持 续 时 间 ( 通 常 取 5 s ~ 10 s); 4) Δβ: 设 置 自 动 测 量 时 测 角 器 每 次 转 动 的 角 度, 即 角 步 幅 ( 通 常 取 0.1 ); 5) β - LIMIT: 在 选 定 扫 描 模 式 后, 设 置 自 动 测 量 时 测 角 器 的 扫 描 范 围, 即 上 限 角 与 下 限 角.( 第 一 次 按 此 键 时, 显 示 器 上 出 现 符 号, 此 时 利 用 B2 选 择 下 限 角 ; 第 二 次 按 此 键 时, 显 示 器 上 出 现 符 号, 此 时 利 用 B2 选 择 上 限 角.) B4 有 三 个 扫 描 模 式 选 择 按 键 和 一 个 归 零 按 键. 三 个 扫 描 模 式 按 键 从 左 至 右 依 次 是 : 1) SENSOR: 传 感 器 扫 描 模 式, 按 下 此 键 时, 可 利 用 B2 手 动 旋 转 传 感 器 的 角 位 置, 也 可 用 β - LIMIT 设 置 自 动 扫 描 时 传 感 器 的 上 限 角 和 下 限 角, 显 示 器 的 下 行 此 时 显 示 传 感 器 的 角 位 置 ; 2) TARGET: 靶 台 扫 描 模 式, 按 下 此 键 时, 可 利 用 B2 手 动 旋 转 靶 台 的 位 置, 也 可 β - LIMIT 设 置 自 动 扫 描 时 传 感 器 的 上 限 角 和 下 限 角, 显 示 器 的 下 行 此 时 显 示 靶 台 的 角 位 置 ; - 5 -
3) COUPLED: 耦 合 扫 描 模 式, 按 下 此 键 时, 可 利 用 B2 手 动 同 时 旋 转 靶 台 和 传 感 器 的 角 位 置 传 感 器 的 转 角 自 动 保 持 为 靶 台 转 角 的 2 倍 ( 如 图 5), 而 显 示 器 的 下 行 此 时 显 示 靶 台 的 角 位 置, 也 可 用 β - LIMIT 设 置 自 动 扫 描 时 传 感 器 的 上 限 角 和 下 限 角. 4) 归 零 按 键 是 ZERO: 按 下 此 键 后, 靶 图 5:COUPLED 模 式 下 靶 台 和 传 感 器 的 角 位 置 台 和 传 感 器 都 回 到 0 位, 但 此 0 位 是 上 次 实 验 时 人 为 确 定 的. B5 有 五 个 操 作 键, 它 们 依 次 是 : 1) RESET: 按 下 此 键, 靶 台 和 传 感 器 都 回 到 测 量 系 统 的 0 位 置, 所 有 参 数 都 回 到 缺 省 值,X 光 管 的 高 压 断 开 : 2) REPLAY: 按 下 此 键, 仪 器 会 把 最 后 的 测 量 数 据 再 次 输 出 至 计 算 机 或 记 录 仪 上 ; 3) SCAN(NO/OFF): 此 键 是 整 个 测 量 系 统 的 开 关 键, 按 下 此 键, 在 X 光 管 上 就 加 了 高 压, 测 角 器 开 始 自 动 扫 描, 所 得 数 据 会 被 储 存 起 来 ( 若 开 启 了 计 算 机 的 相 关 程 序, 则 所 得 数 据 自 动 输 出 至 计 算 机.); 4) : 此 键 是 声 脉 冲 开 关 ; 5) HV(ON/OFF): 此 键 开 关 X 光 管 上 的 高 压, 它 上 面 的 指 示 灯 闪 烁 时, 表 示 已 加 了 高 压. 2 吸 收 体 如 图 6 所 示, 实 验 中 用 到 两 种 吸 收 体 来 研 究 X 射 线 衰 减 与 吸 收 体 厚 度 吸 收 体 物 质 ( 原 子 序 数 ) 的 关 系 图 6 吸 收 体 吸 收 体 1: 铝 质, 厚 度 分 别 为 0,0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3mm 吸 收 体 2: 厚 度 均 为 0.5mm, 材 质 分 别 为 聚 苯 乙 烯 ( 原 子 序 数 Z=6) 铝 (Z=13) 铁 (Z=26) 铜 (Z=29) 锆 (Z=40) 银 (Z=47) 实 验 内 容 1. 观 察 X 射 线 影 像, 记 录 下 看 到 的 情 况, 并 进 行 分 析 1) 研 究 荧 光 屏 亮 度 变 化 移 走 准 直 器, 在 传 感 器 扫 描 模 式 下 将 传 感 器 转 至 一 合 适 角 度, 使 之 不 影 响 X 射 线 对 荧 光 屏 的 照 射 移 去 荧 光 屏 保 护 盖 关 闭 铅 玻 璃 门, 打 开 高 压 源, 设 置 加 在 X 光 管 上 的 电 流 为 1mA, 改 变 高 压 值 从 0 到 35kV, 观 察 荧 光 屏 上 亮 度 变 化 关 闭 铅 玻 璃 门, 打 开 高 压 源, 设 置 加 在 X 光 管 上 的 高 压 为 35kV, 改 变 电 流 值 从 0-6 -
到 1mA, 观 察 荧 光 屏 上 亮 度 变 化 2) 将 计 算 器 夹 在 支 架 上, 打 开 铅 玻 璃 门, 将 该 物 体 放 置 于 荧 光 屏 和 X 射 线 源 之 间 关 闭 铅 玻 璃 门, 打 开 高 压 源, 设 置 加 在 X 光 管 上 的 电 流 为 1mA, 改 变 高 压 值 从 0 到 35kV, 观 察 荧 光 屏 上 像 亮 度 对 比 度 变 化 关 闭 铅 玻 璃 门, 打 开 高 压 源, 设 置 加 在 X 光 管 上 的 高 压 为 35kV, 改 变 电 流 值 从 0 到 1mA, 观 察 荧 光 屏 上 像 亮 度 对 比 度 变 化 3) 请 同 学 自 己 准 备 一 两 样 含 两 种 以 上 物 质 的 物 品 ( 注 : 要 考 虑 对 X 光 的 吸 收 不 同 和 分 布 情 况, 其 最 大 投 影 面 积 < 7 cm 7 cm); 设 置 加 在 X 光 管 上 的 高 压 值 和 电 流 值, 观 察 荧 光 屏 上 该 物 体 的 影 像 ; 2.X 射 线 衰 减 1) 吸 收 体 的 安 装 仔 细 装 上 准 直 器, 将 吸 收 体 系 列 的 滑 槽 放 进 靶 支 架 的 90 弯 曲 的 狭 缝 中, 并 尽 可 能 的 滑 进 靶 支 架 关 闭 铅 玻 璃 门. 按 ZERO 键, 使 测 角 器 归 零 2) 测 量 背 景 影 响 设 置 X 光 管 的 高 压 U=0KV, 电 流 I=0mA, 角 步 幅 Δ β = 0 o, 测 量 时 间 Δ t = 300s 测 量 光 强 3)X 射 线 衰 减 与 吸 收 体 厚 度 的 关 系 1 直 准 器 前 没 安 装 锆 滤 片 (Zr) 按 ZERO 键, 使 测 角 器 归 零 a 设 置 X 光 管 的 高 压 U=21KV, 电 流 I=0.05mA, 角 步 幅 Δ β = 0 o, 测 量 时 间 Δ t = 100s b 按 TARGET 键, 用 ADJUST 旋 钮, 使 靶 的 角 度 依 次 为 0 o 10o 20o 30o 40 o 50o 60o ( 每 转 动 10 o 吸 收 体 厚 度 增 加 0.5mm) c 分 别 按 SCAN 键 进 行 自 动 扫 描 扫 描 完 毕 后, 按 REPLAY 键, 读 取 数 据 绘 制 透 射 率 随 厚 度 d 变 化 图 透 射 率 对 数 值 随 d 变 化 图, 利 用 线 性 拟 合 得 到 线 衰 减 系 数 μ ( 选 做 ) 分 别 改 变 高 压 和 管 流, 实 验 结 果 如 何? 2 直 准 器 前 安 装 锆 滤 片 (Zr) 按 ZERO 键, 使 测 角 器 归 零 a 设 置 X 光 管 的 高 压 U=21KV, 电 流 I=0.15mA, 角 步 幅 Δ β = 0 o, 测 量 时 间 Δ t = 200s - 7 -
b 按 TARGET 键, 用 ADJUST 旋 钮, 使 靶 的 角 度 依 次 为 0 o 10o 20o 30 o 40o 50o 60o c 分 别 按 SCAN 键 进 行 自 动 扫 描 扫 描 完 毕 后, 按 REPLAY 键, 读 取 数 据 绘 制 透 射 率 随 厚 度 d 变 化 图 透 射 率 对 数 值 随 d 变 化 图, 利 用 线 性 拟 合 得 到 线 衰 减 系 数 μ 4)X 射 线 衰 减 与 吸 收 体 物 质 ( 原 子 序 数 ) 的 关 系 1 直 准 器 前 没 安 装 锆 滤 片 (Zr) 按 ZERO 键, 使 测 角 器 归 零 a. 设 置 X 光 管 的 高 压 U=30KV, 电 流 I=0.02mA, 角 步 幅 Δ β = 0 o, 测 量 时 间 Δ t = 30s b. 按 TARGET 键, 用 ADJUST 旋 钮, 使 靶 的 角 度 依 次 为 0 o 10o 20o ( 每 转 动 约 10 o 吸 收 体 物 质 发 生 改 变 ) c. 按 SCAN 键 进 行 自 动 扫 描 d. 扫 描 完 毕 后, 按 REPLAY 键, 读 取 数 据 e. 设 置 X 光 管 的 高 压 U=30KV, 电 流 I=1.00mA, 角 步 幅 Δ β = 0 o, 测 量 时 间 Δ t = 300s f. 按 TARGET 键, 用 ADJUST 旋 钮, 使 靶 的 角 度 依 次 为 30 o 40o 50o 60 o g. 按 SCAN 键 进 行 自 动 扫 描 h. 扫 描 完 毕 后, 按 REPLAY 键, 读 取 数 据 绘 制 线 衰 减 系 数 μ 随 原 子 序 数 Z 变 化 图 2 直 准 器 前 安 装 锆 滤 片 (Zr) 按 ZERO 键, 使 测 角 器 归 零 a. 设 置 X 光 管 的 高 压 U=30KV, 电 流 I=0.02mA, 角 步 幅 Δ β = 0 o, 测 量 时 间 Δ t = 30s b. 按 TARGET 键, 用 ADJUST 旋 钮, 使 靶 的 角 度 依 次 为 0 o 10o 20o c. 按 SCAN 键 进 行 自 动 扫 描 - 8 -
d. 扫 描 完 毕 后, 按 REPLAY 键, 读 取 数 据 e. 设 置 X 光 管 的 高 压 U=30KV, 电 流 I=1.00mA, 角 步 幅 Δ β = 0 o, 测 量 时 间 Δ t = 300s f. 按 TARGET 键, 用 ADJUST 旋 钮, 使 靶 的 角 度 依 次 为 30o 40o 50o 60o g. 按 SCAN 键 进 行 自 动 扫 描 h. 扫 描 完 毕 后, 按 REPLAY 键, 读 取 数 据 绘 制 线 衰 减 系 数 μ 随 原 子 序 数 Z 变 化 图 注 意 事 项 (1) 在 铅 玻 璃 门 打 开 时 不 得 打 开 X 光 管 高 压 (2) 要 带 一 次 性 手 套 安 装 吸 收 体 准 直 器 等 操 作 时, 要 尽 可 能 小 心 思 考 题 1. 为 什 么 钼 靶 受 电 子 轰 击 的 面 呈 斜 面? 2. 假 设 阴 极 钨 丝 和 阳 极 钼 靶 间 的 距 离 为 2 cm, 设 电 子 的 初 速 度 为 零, 试 计 算 用 50 KV 操 作 时,X 射 线 管 中 的 电 子 在 撞 击 钼 靶 时 的 速 度 和 动 能, 所 发 射 的 X 射 线 短 波 限 为 多 少? 附 录 与 X 射 线 有 关 的 诺 贝 尔 奖 列 表 : 1895 年 德 国 物 理 学 家 伦 琴 (W. C. Röntgen) 发 现 了 X 射 线, 初 步 研 究 了 其 性 质 他 于 1901 年 成 为 了 世 界 上 第 一 位 诺 贝 尔 奖 获 得 者 1910~1912 年 劳 厄 (M. Von Laue) 在 其 研 究 生 夫 里 德 里 克 (W. Friedrich) 及 尼 平 (P. Knipping) 的 协 助 下 完 成 了 五 水 硫 酸 铜 单 晶 对 X 射 线 的 衍 射 实 验, 一 箭 双 雕 的 证 明 了 X 射 线 的 波 动 性 本 质 及 晶 体 结 构 排 列 的 周 期 性 质 1914 年 劳 厄 师 生 获 得 了 诺 贝 尔 奖 1912 年 英 国 物 理 学 家 布 拉 格 (W. H. Bragg) 发 现 了 X 射 线 的 特 征 谱 线, 后 经 莫 塞 莱 (H. G. Moseley) 系 统 化,1913 年 布 拉 格 (W. L. Bragg) 用 比 劳 厄 更 简 单 的 公 式 表 达 了 X 射 线 在 晶 体 中 产 生 衍 射 的 必 要 条 件 ( 布 拉 格 方 程 )1915 年 布 拉 格 父 子 获 得 了 诺 贝 尔 奖 1985 年 赫 普 特 曼 (H. Hauptman) 及 科 尔 勒 (J. Karle) 因 发 展 了 X 射 线 分 析 的 直 接 法 获 得 了 诺 贝 尔 奖 - 9 -