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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光波長與晶格常數相當，可使晶體產生干涉和衍射。
6、實驗內容：
（1）觀察X光透射現象。
（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據）
· 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、典型數據：
（1）透射現象
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，產生X光的強度與管壓成指數關系，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
作圖處理數據：
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光能進行晶體經過分析，因其波長與晶格常數相當，可產生干涉和衍射。
（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、數據表格0.6分（包括對實驗現象觀察的半定量表格，和衍射曲線數據記錄的表格）
以上要素每缺少1個扣相應分數，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
實驗現象的記錄：1分（包括對實驗條件的記錄和現象的詳細描述）
實驗數據：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的問題等）
3）實驗報告：4分
12、
對實驗現象的解釋：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、實驗數據處理或實驗討論發(fā)現有抄襲現象，不管是抄襲者還是被抄襲者，實驗報告部分的分數全部扣除，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。
實驗13 X光透視與食鹽晶體結構分析
