X光系列实验复旦大学解读
X光反射曲线峰强度的理论计算1概述-复旦大学物理教学试验中心
３
实验结果分析与讨论
由图一，Kα，Kβ线的三个峰位和强度如表一所示： 峰位 β 9.9 20.4 31.6 （ ° ） Kα 计数率 R 615.3 125.8 47.3 （s ） 峰位 β 8.8 18.0 27.7 （ ° ） Kβ 计数率 R 261.5 73.3 38.8 （s ） 表一 特征线峰位与计数率的对应关系 Tab.1 Peak positions of character lines and their relevant counting rates
2 3 αt 1 2 αe 3 αe 1 2 βt 3 βt 1 2 βe 2 3 βe
1 + cos 2θ sin 2 θ cos θ
(14)
Kβ峰各数据相对误差比较大，应该是没有扣除本底计数引起的。
４ 结 论
１． 菲涅耳定理和光栅方程均不适合用于分析X光对晶体的作用。X光频率极高，晶体对其折射率几乎 等于1，其反射机制不同于可见光在介质表面的反射；在利用光栅方程计算峰强度时，其原理是 正确的，但应当计入偏振因子和Lorentz因子。 1 + cos 2θ ２． 反射峰强度与布拉格反射角 θ 和结构因子 F 之间有依赖关系： I ∝| F | sin 。 θ cos θ
HKL
2 2
2
HKL
关键词：X 光 强度 理论计算 散射角 晶体结构因子
Theoretical calculation of peak intensity on X-ray reflection curve LI Da (Dept. of Material Science, Fudan University, Shanghai, 200433) Abstract: A diagram of relations between counting rate R and scattering angle θ was obtained via X-ray apparatus coupled θ ~2 θ scanning on LiF crystal with spacing d=2.01 Å. This diagram is also called X-ray reflection curve. Fresnel’s equation and grating formula were used to launch theoretical calculation on reflection intensity, but the result did not well-fit experimental consequence. Courseware from MSE introduced scattering mechanism of electrons, atoms and cells. With the help of some other references, a formula revealing relations between X-ray intensity and parameters such as scattering angle θ and structure factor Fhkl was finally acquired. Deduction showed that X-ray intensity was proportional to (1+cos22 θ )/(sin2 θ cos θ ), as well as the square of structure factor, |Fhkl|2. Keywords: X-ray; Intensity; Theoretical calculation; Scattering angle; Structure factor
利用X光研究GM计数器的原理和计数特性-复旦大学物理教学试验
利用X光研究G-M计数器的原理和计数特性王烁1，乐永康2（1复旦大学力学与工程科学系，2复旦大学物理学系，上海200433）盖革-穆勒计数器（G-M计数器）是一种在早期核物理实验中使用最广泛的粒子探测器。
由于G-M计数器具有造价低廉、灵敏度高、输出脉冲幅度大等优点，至今仍被普遍用于核物理学和工业领域。
但G-M计数器也有着死时间过长，不能进行快速计数的缺点，在高照射率下的计数结果将严重失真。
在实验教学中，G-M计数器常被用作各种电离辐射的探测器[1-2]。
G-M计数器工作特性的研究和用G-M计数管研究核辐射的统计规律等都是近代物理实验教学的经典内容。
当有电离辐射进入G-M管，由于管内雪崩放电后阳离子鞘的漂移速度很慢，G-M计数器有一个100μs量级的死时间。
测量死时间的一种常用方法是双源法，但该方法只适用于低照射率情形（nτ<<1，n为每秒辐射数，τ为死时间）,而且在实验中往往无法保证两个放射源在单独和同时测量时几何位置和周围环境都相同，所以测量的精度有限。
在实验室的电离辐射源中，X光机具有辐射集中、污染小、强度可调等优点，且照射率和X光的工作电流成很好的线性关系。
本文用X光机作为连续可调的辐射源研究了G-M计数器的输出脉冲波形和死时间，并尝试用校正公式拓展G-M计数器的有效工作范围。
在低照射率下，我们用示波器观察了G-M计数器的完整输出脉冲波形，并从理论上对脉冲的特性作出解释：在不同工作电压时，脉冲幅度和工作电压近似线性关系；脉冲宽度由电路时间常数决定，选择合适的采样电阻可以在脉冲幅度和脉冲宽度的选择上得到较优的结果，从而适当拓展G-M计数器的有效工作范围。
通过改变X光机的工作电流，记录G-M计数器在不同照射率下的计数结果，根据死时间对计数率的影响规律我们可以拟合出死时间，并得到计数率的校正公式。
基于这个校正公式，我们成功地将G-M的计数器的最大有效计数率从1500/s拓展至4000/s。
复旦大学高等结构分析X-ray单晶
衍射仪的基本结构
19
X射线管如何工作？
water
X-rays
electrons
cathode
Filament
20
Mo靶的特征X射线
21
衍射仪的种类
四圆单晶衍射仪
面探测器单晶衍射仪
22
四圆单晶衍射仪数据收集过程
• • • • • 安置单晶于测角仪上，对心于衍射仪中心 确定晶胞参数和方位矩阵 确定晶系和劳埃对称性 确定衍射数据收集的独立区 收集衍射强度数据
空间群可以明确说明一种晶体可能具有的 对称元素种类和这些元素在晶胞中的位置。
7
晶体结构=结构基元+点阵
2d hkl sin n
8
测 定 衍 晶 射 测 结 结 体 定 胞 数 果 构 参 的 结 据 衍 模 选 构 的 射 数 解 型 择 强 与 解 还 释 的 基 与 析 原 度 精 安 与 数 本 表 修 置 据 对 校 达 称 正 性
Diamond
Diamond
单晶结构分析程序简介
之程序包
Oscail-X
58
WinGX
59
X射线单晶体衍射资源
晶体学信息文件-CIF
• 定义：是一种用于计算机传输的晶体学档 案文件，属于自由格式，有一定的弹性， 可供人和计算机阅读。 • 内容：晶体结构测量过程的方法与参数； 化合物分子式、晶胞参数、空间群 全部原子坐标及其原子位移参数； 精修结果的有关参数； 其他信息如二面角，氢键等
23
面探测器衍射仪与数据收集
• 晶体与探测器间的距离d 50~60mm • 扫描角度 0.5~1 • 准直器与晶体大小 0.3mm or 0.5mm • 曝光时间：5~10s • 收集数据范围 半球以上
莫塞莱定律中的X光的特征谱-复旦大学物理教学试验中心Fudan
在验证莫塞莱定律的实验中吸收边如何选取？作者: 秦闻● 引言验证莫塞莱定律实验中的k λ（X 光的特征谱）可以用吸收边来代替吗？实验中吸收边应如何选取？● 摘要)k Z σ-，关于k λ的选取问题，根据《原子物理学》（第三版）莫塞莱定律的k λ指的是元素的X 射线特征谱。
为了检验莫塞莱定律，由于各个元素的特征谱不能够直接测量，我们的实验中选取的是透射率突变处斜线的中间确定吸收边的位置，并以吸收边作为公式中的k λ，用吸收边来代替特征谱，这样可行吗？吸收边应如何选取来减少误差？估算钼靶产生X 光K 系列特征谱所需要的最小电子加速电压，如何用实验来验证？● 关键词特征谱k λ 吸收边的选取 最小电子加速电压 ● 正文1.原理依据：“在钼靶上打出的X 射线谱分为两部分，一是连续谱，在图中呈现一个山丘模样，这是韧致辐射产生的X 射线谱；一是叠在连续谱上的两个尖峰，就是特征辐射产生的X 射线谱，两峰所对应的波长位置与外加电压无关。
各元素的特征X 射线谱有相似的结构，各元素的特征X 射线能量值（或波长值）各不相同，被用来作为元素的标识，所以又可以称为元素的标识谱。
元素的标识谱是原子中内层电子的跃迁产生的k λ。
” [1]图一 钼靶上打出的X 射线发射谱 横坐标为X 射线经NaCl 晶体的入射角纵坐标为收集极记录X 射线强度如果把各元素的特征X 射线的频率的平方根对原子序数作标绘，就会得到线性关系。
这就是莫塞莱当年得出的规律，称为莫塞莱定律。
产生K 系X 射线的阈能大于K 系X 射线本身的能量 [2]以钼为例，它的两个特征谱和吸收边的关系右图二所示。
右图横坐标为X 射线能量值，纵坐标为钼吸收片的透射率，吸收边对应的能量略大于特征谱对应的能量。
（图来自《原子物理学》第三版）图二为钼吸收片的透射率与X 射线能量的关系。
K α和K β是钼的标识K 系X 射线的能量.什么是阈能？举例来说，当n=1层中出现一个空穴时，n=2层中的电子感受到的是Z-1个正电荷的作用向内层跃迁时，发出X 光辐射。
测量材料对X光的衰减系数与原子序数的关系-复旦大学物理教学试验
• 透射率与质量衰减系数
• 尝试拟合 斜率即γ值
～ 的线性关系
实验结果
方法一：（碳、铝、铁、铜、锆、银）
不加锆片γ=2.3±0.2
加锆片γ=2.5±0.3
实验结果
（铝、铁、铜、锆、钼、银）
方法二： 线性比方法一好 γ平均值为2.6±0.2
缺点：
• γ的数据少，不可信 • 实验效率低——
手动操作多
26文献上给的经验值是3实验结论实验结论利用种方法测量利用三种方法测量了不同材料对x光的吸收系数与原子序数的关系分析比较了三种方法的优劣得出质量吸收系数与原子序数的关系满足得出质量吸收系数与原子序数的关系满足
测量材料对X光的衰减系数 与原子序数的关系
赵澎阳 （复旦大学物理系，上海）
材料对X光的衰减系数
没有发挥仪器优势
改进方法
改变测量顺序：
¾ 固定材料（吸收片），扫描T ～β(λ)图 ¾ 相同扫描范围内，改变不同材料 ¾得到吸收谱（同一分支内） ¾ 纵向看，同一β(λ)对应不同材料透射率
优点：
• 自动扫描，效率提高 • 测量数据多
改进后的实验结果
• 六种金属的吸收谱 （λ: 36.4～47.2pm）
并确定出在实验波长范围内γ ≈ 2.6
Thanks!
改进后的实验结果
λ=36.4pm
改进后的实验结果
• γ的值多了一位有效数字 • 但没有了交叠区域，不能做平均 • 保留两位有效数字做加权平均： γ ≈ 2.6 • 文献上给的经验值是3
实验结论
• 利用三种方法测量了不同材料对X光的吸收 系数与原子序数的关系
• 分析比较了三种方法的 优劣 • 得出质量吸收系数与原子序数的 关系满足：
Lambert定律：
利用X射线进行元素分析-复旦大学物理教学试验中心FudanPhysics
利用X 射线对固体样品进行元素分析（复旦大学材料科学系 张芷英 上海 200433）摘要：本文利用吸收边的莫塞莱定律以及吸光度的Lambert-Beer 定律讨论了用莱宝X 光仪对固体样品进行元素定性、定量分析的可行性与方法。
关键词：X 射线、元素分析、吸收边、分辨率、吸光度。
一、 引言在X 光系列实验中，在实验六“检验莫塞莱定律”中，发现元素的吸收边k λ与元素的原子序数有如下关系：()k Z σ=-即特定元素对于X 光的吸收存在特定的吸收边，即在k λ处吸收系数a τ陡然下降，在实验中我们得到Zr 的吸收边图像如下图一所示。
吸收边表现了特定元素的存在，对于需要进行元图一 实验得到的Zr 吸收边曲线素分析的样品，只要观测其X 光吸收系数曲线，对于每个吸收边进行分析，就可以得到样品元素成分的定性信息。
二、 X 射线的吸收为什么元素的吸收曲线上会出现吸收边呢？我们可以将元素的吸收边分为K 吸收边、L吸收边、M 吸收边，在L 吸收边中又含有三个小的吸收边L I 、L II 、L III ，在M 吸收边则含有五个小的吸收边M I 、M II 、M III 、M IV 、M V 。
这是因为当光子的能量足以使一个1S 电子脱离原子时，将引起原子的共振吸收，此时吸收系数有了突然的增加；当光子波长增大，光子能量减小不足以激发该电子电离时，原子不再共振吸收光子，此时吸收系数骤然下降，对应于一个吸收边沿；当光子波长减小，能量增大时，X 射线的能量已超出电子逸出功的范围，使光电效应达到饱和，多余的能量穿透过吸收体，此外光子的贯穿能力也增强了，随着波长的进一步减小，吸收系数进一步下降，这对应于K 吸收边。
同样，L I 表示光子的能量足以使一个2S 电子脱离原子的吸收边，L II 和L III 分别表示使2P 1/2和2P 3/2层上的电子脱离原子的吸收边（如右图二示）。
图一中Zr只有单一吸收边，对应的是K 吸收边。
由上面的物理图像我们可以很好的解释莫塞莱定律。
X射线光电子能谱XPS
X射线光电子能谱复旦大学材料系吕平在对许多材料的研究和应用中，了解其表面性能是很重要的。
而要获得材料的表面性能，就需要一些特殊的仪器，对各种材料从成分和结构上进行表面表征。
其中，X射线光电子能谱（XPS）由于其对材料表面化学性能的高度识别能力，成为材料分析的一种重要技术手段。
X射线光电子能谱是由Siegbahn等人在20 世纪50年代提出并实现用于物质表面元素定性定量分析的方法。
Siegbahn由于对光电子能谱的谱仪技术和谱学理论的杰出贡献而获得了1981年诺贝尔奖。
这是一种以光与物质相互作用的原理为基础的方法。
1.光与物质的相互作用一、光电效应物质受光作用放出电子的现象称为光电效应，也称为光电离或光致发射。
如图1所示，这个过程表示为：hν+A→A∗++e−A: 中性原子；hν：光子能量；A*+：出于激发态的离子；e-：光电子。
光电子的能量 E k=hν−E BE B是以真空能级为参考的电子结合能。
虽然光电离也是一个电子跃迁过程，但它有别于一般电子的吸收和发射过程，它不遵守一定的选择定则，任何能级的电子都可以被电离。
原子各能级发射出冠电子的概率由电离截面σ决定。
σ越大，说明该能级上的电子月容易被激发，与原子其他能级上的电子相比，它的光电子峰的强度就交大。
σ与原子序数Z，主量子数n，角量子数l，入射光频率ν决定。
二、受激原子的弛豫由电离过程产生的终态离子A*+处于高激发态，会自发发生弛豫而变为稳定状态。
这一过程分为辐射弛豫和非辐射弛豫两种，前者发射X荧光，后者发射俄歇电子。
其过程如图2所示。
hν图1图 2X射线荧光的能量是特征性的，与元素一一对应。
俄歇电子的能量也是特征性的，与入射能量无关。
荧光几率与俄歇几率如图3所示，即低Z元素容易发生俄歇效应。
图 3三、光电子逸出深度虽然X光的穿透深度可达1mm，只有从表面逸出的光电子，才对确定Eb的谱峰有所贡献。
对于XPS 有用的光电子能量100~1200eVλm=0.5~2.0nm（金属）=4~10nm（高聚物）信息深度d与逸出深度的关系，d=λsinα，如图4 所示。
实验13X光透视与食盐晶体结构分析-复旦大学物理教学实验中心
实验7-6 用计算机实测技术研究声波和波一、实验目的: 学会用实验应用软件测音叉频率 二、实验装置: 音叉、共鸣箱（一端开口）、小橡皮锤、喇叭、信号发生器、拾音器、实验室通用接口（ULI ）、计算机三、实验原理：1、声波是机械纵波。
当弹性介质（如空气）的某一部分离开它的平衡位置时就可以引起这部分介质在平衡位置附近振动。
该振动在空气中激发出声波，波动方程为：)(2cosvt x y y m -=λπ. y m 为振动幅度，λ为声波波长，v 为声波波速。
2、如果有两列波向同一方向传播，频率分别为ν1 和ν2，根据波的叠加原理可以知道，当两列波通过空间某一点时，这两列波在该点产生的合振动是各自振动之和。
如在某一给定点，在时刻t时，一列波所产生的振动位移y 1为：y 1＝t v y m 12cos π 在同一点处，另一列波所产生的振动位移y 2为：y 1＝t v y m 22cos π，按照叠加原理，这两列波在该点合成的合振动位移y 为：y= y 1+ y 2=[2y m )2(2cos 21ννπ-t] )2(2cos 21ννπ+t, 由上式可知，这两列波在该点产生的合振动是各自振动之和，合振动的振幅是时间的函数，这一现象称为拍。
合振动的最大值由)2(2cos 21ννπ-t决定。
由于振幅所涉及的是绝对值，故其变化周期即|)2(2cos 21ννπ-t|的周期，它由)2(2cos 21ννπ-t=π决定，故振幅变化频率ν＝|ν1-ν2|即两列波的频率之差，ν称为拍频。
四、实验内容及步骤：1、打开“物理实验应用软件PLoggerpro”,选择输入端口（DIN1），并设置传感器类型为“Microphone”.2、设置采样时间（1s）3、音叉固有频率ν1观测设置不同的采样速度，测量同一音叉固有频率ν1，以确定合适的采样速度。
4、拍频观测±、调节信号发生器频率，使喇叭声音的频率ν2接近于音叉的固有频率ν1，即分别是ν2－ν1≈15±Hz。
近代物理-复旦大学物理教学中心
实验六: γ能谱实验(乐永康)
在核物理研究中,离不开对γ射线的测量.γ射线是不带电的中性粒子,它与物质的相互作用与带电粒子有显著的差别.γ射线与物质的作用主要有光电效应,康普顿散射和电子对效应这三种.本实验利用NaI(Tl)闪烁探测器来测量γ射线的能谱.谱仪的主要优点是既能探测中性粒子,又能探测带电粒子;既能测量粒子强度,又能测量粒子能量,而且探测效率高,分辨时间短.
5.脉冲核磁共振及核磁共振成像实验
6.相对论验证实验
7.弗兰克-赫兹实验中电子能量分布的测定
8. X光衍射实验扩展内容
9.小型质谱仪实验扩展内容
10.冉绍尔-汤森效应
11.符合测量实验
12.盖革-弥勒计数器和核衰变的统计规律实验
13.氢氘光谱实验
14.扫描隧道显微镜STM
15.原子力显微镜AFM
16.电子自旋共振
实验目的是:通过汞原子第一激发电位的测量了解夫兰克和赫兹在研究原子内部能量量子化问题时所采用的基本实验方法;了解电子与原子碰撞和能量交换过程的微观图象和影响这个过程的主要物理因素.
实验二:塞曼效应(姚红英)
1896年Zeeman发现当光源放在足够强的磁场中时,原来的一条光谱线分裂成几条光谱线,分裂的谱线成分是偏振的,分裂的条数随能级的类别而不同.
17.微波参数测量
18.超导转变温度测量
作业和考核方式：每个实验都要交一份实验报告,期末考核为根据选做内容写的论文和报告会上的口头报告。
教师教学、科研情况简介和主要社会兼职：长期从事近代物理实验和物理实验教学,主要研究方向为近代物理实验仪器的开发和实验教学改革
x光实验报告
x光实验报告
X光实验报告
在本次实验中，我们对X光的产生和特性进行了深入研究，以便更好地了解这
一重要的物理现象。
通过实验，我们得出了一些有趣的结论，并对X光的应用
领域有了更深入的了解。
首先，我们使用了一台X射线管来产生X光。
通过在真空管中加速电子，我们
成功地产生了高能的X射线。
我们观察到X射线在真空中传播的特性，以及其
在不同物质中的穿透能力。
我们发现，X射线在不同物质中的穿透能力与物质
的密度和原子序数有关，这为X射线成像技术的应用提供了重要的理论基础。
其次，我们对X射线的散射现象进行了研究。
我们观察到X射线在物质中的散
射过程，并通过测量散射角和入射角的关系，验证了散射现象符合著名的布拉
格定律。
这一发现对于理解X射线在晶体中的衍射过程具有重要意义，也为X
射线衍射技术的发展提供了重要的实验依据。
最后，我们还对X射线在医学影像学中的应用进行了研究。
我们发现，X射线
成像技术可以有效地用于检测人体内部的病变和损伤，为医生提供重要的诊断
依据。
同时，我们也注意到了X射线对人体健康的潜在危害，因此在使用X射
线成像技术时需要严格控制剂量，以确保患者和医护人员的安全。
通过本次实验，我们对X射线的产生和特性有了更深入的了解，也对其在医学
和材料科学领域的应用有了更全面的认识。
我们相信，通过不断的研究和实验，X射线技术将会在更多领域发挥重要作用，为人类的健康和科学研究做出更大
的贡献。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
0519017 冯培培 2008.6.18
通过布拉格公式计算得出的波峰的位置鱼实验仪器测得 的波峰的位置的比较来判断实验的精度以及调零是否准确
对这个问题的分析，解释了在实验步骤中对上限角的设置。
0519017 冯培培 2008.6.18
实验中的Hale Waihona Puke 一个问题：受到仪器精度的影响，
最小角步幅为0.1°， 导致左图“剃头”的波峰， 实际波峰的角度应在两 点之间。
y x
0519017 冯培培 2008.6.18
通过对这个小问题的分析，解释了在实验中调校 测角器时将靶台转到7.2°附近，因为理论上此时 的反射率最大 通过前面的计算，当β角为7.2°时反射率最大， 此时实验数据最容易观测。 7.2° β’
β’
调节后计数率最大 7.2°+ β’
0点位置
。
β’
β’
相对准确的0点位置
0519017 冯培培 2008.6.18
这里用到的就是布拉格公式得出的7.2°时反 射率最大，也就是实验中B1上行示数最大， 假如仪器的零点已经准确，当旋转到7.2°时 的示数应该是最大的，调节靶台位置后示数 应该变小，如果调节时发现有更大的示数则 表示原先的零点不准确，这时的位置就是正 确的7.2°，因此，反向旋转7.2°就是相对 原来更为准确的零点。
从图中发现，d1<d2<d3 d1=0.8 d2=1.7 d3=2.5 该图晶体的晶面间距是0.283nm K最大为8（由布拉格公式推出）
0519017 冯培培 2008.6.18
k arcsin 2d
反三角函数y=arcsinkx的图像 如右图红色曲线，在区间第一
象限内 变大，也就是 d1<d2<d3的原因.
0519017 冯培培 2008.6.18
图像上这点小现象的解释虽然简单但却能 使实验者充分了解X光系列实验的最基础的 原理。有时对于某些细节的追究能使整个 实验的思路豁然开朗。
0519017 冯培培 2008.6.18
Thank you for your patience!
X光系列实验
几个小问题的解释
0519017 冯培培 2008.6.18
2d sin k , k 1,2,3...
布拉格公式
0519017 冯培培 2008.6.18
K
画面中纵坐标 为X光的光强， 横坐标为靶台 的转角。
d1、d2、d3分别为K为1、2、3时
K K
角度的间距
0519017 冯培培 2008.6.18