x射线的康普顿散射

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1、X射线的康普顿效应实验前请仔细阅读附后的辐射防护知识。（注：各组前10位同学预习“核磁共振成像”，11、12号预习本实验）一．实验目的：1、通过X-射线在NaCl晶体上的第一级衍射认识钼阳极射线管的能谱，了解Edgeabsorption。2、验证X光子康普顿散射的波长漂移二．实验原理：1、X射线的产生高速运动的电子遇到物质而减速时，即可产生X-射线。根据经典电动力学理论，这种减速将产生电磁波辐射。能谱分连续谱和特征谱两部分：连续谱是高速电子与靶原子发生碰撞，一般会有多次碰撞，辐射出的光子能量各不相同，形成连续谱，即轫致辐射，它是一个连续光谱，且

2、有确定的最高频率（或最小波长）。当电子的能量超过一临界值时，将会出现X射线的特征谱线，即在连续的轫致辐射光谱上添加分离的光谱线。这是因为当更高能量的电子深入到阳极原子的壳内，通过撞击将最里面轨道上的电子驱逐出来后，产生的空位由外层轨道的电子填补，并发射X射线。各外层电子跃迁到n=1的壳层（K层）产生的X射线组成K线系：L层到K层的为线，M层到K层的为线。本实验的X射线光管结构如图：X光管的结构如图4所示。它是一个抽成高真空的石英管，其下面(1)是接地的电子发射极，通电加热后可发射电子；上面(2)是钼靶，工作时加以几万伏的高压。电子在高压作用下轰

3、击钼原子而产生X光，钼靶受电子轰击的面呈斜面，以利于X光向水平方向射出。(3)是铜块、(4)是螺旋状热沉，用以散热。(5)是管脚。X射线的产生，为我们更透彻的认识事物的微观结构提供了一个非常有效的手段。因为其波长较短（与原子间距同数量级），射入原子有序排列的晶体时，会发生类似可见光入射到光栅时的衍射现象。其基本规律即为布拉格公式：，其中即掠射角，d是晶体的晶面间距。2、康普顿效应1923年，美国物理学家Compton发现被散射体散射的X射线的波长的漂移，并将原因归结为X射线的量子本质。他解释这种效应是一个X光量子和散射物质的一个电子发生碰撞，其

4、中X光量子的能量发生了改变，它的一部分动能转移给了电子。5h:普朗克常数c:光速：波长在碰撞中，能量和动量守恒。碰撞前，电子可以认为是静止的。碰撞后电子的速度为v，和是X光量子散射前后的波长，依据相对论的能量守恒的公式表述可以得到：M0:电子的质量X光子的动量为：动量的守恒导致：碰撞角度（见上图）最终波长的改变量为常数定义为康普顿波长，本实验是利用一个铜箔来证明波长漂移现象的存在。因为铜箔的透射系数TCu会随X光子的波长变化，故由于康散而导致的X光子波长的漂移就表现在透射率或计数率的改变。波长与铜箔的透射率间的关系可以用公式表述为：其中=7.6

5、，n＝2.75实验的开始是记录被铝散射的X光子的无衰减时的计数率R0,接着是将铜箔放置在铝的前后得到的两个计数率R1和R2(看下图)。因为计数率低，故背景辐射R也要考虑。则透射率是：和由此得到X光子的平均波长、。根据公式得到波长的漂移为故有5三．实验仪器：实验仪器为德国莱宝公司生产的X射线实验仪。其正面从左往右依次为控制面板、X光室和实验区。控制面板的介绍如下：1、控制面板b1为显示区，通常第一行显示G-M计数管的计数率（正比于X光光强），第二行显示工作参数的具体值。b2调整b1第二行的工作参数值。b3均为工作参数选择键，含下面5个键：U：X射

6、线管高压，0～35kV；I：发射电流,，0～1mA；：测量时间（每角度步幅）,5～10s；：步进角宽度,0°～20°limits:确定测角器扫描范围的上限角和下限角，（第一次按，出现“↓”，利用b2选择下限角，第二次按，出现“↑”，利用b2选择上限角）b4:扫描模式（进入或启动该扫描模式）及归零键，共4个键sensor:传感器扫描模式，按下此键后，只是带G－M计数器的机械臂转动。可利用b2手动旋转传感器的位置，也可用limits设置自动扫描时传感器的上、下限角，显示器的下行此时显示传感器的角位置；target：:靶台扫描模式，放置样品用的平台转

7、动。调节方法同sensor。coupled:耦合扫描模式，计数器和靶台一起转动。且传感器的转角自动保持为靶台转角的2倍。调节方法同上。Zero：归零键，靶台和传感器都回到0位。b5:五个操作键。Reset：靶台和传感器回到0位，且参数（b3中设定的值）回到缺省值，X管的高压断开；replay:将显示的数据再次输入到计算机；scan(on/off)：测量系统的开关键，开启时，X管加高压，测角器开始自动扫描，数据自动输入计算机；X：声脉冲开关，本实验中不必用它；Hv(ON／OFF)：开关X光管上的高压，其上的指示灯（b6）闪烁时，表示已加了高压。2

8、、实验区可安排各种实验，它的玻璃门可滑动，在X射线管工作时，仪器的安全保护电路应确保此门处于锁闭状态。其主要器件分为3部分：X光的出口，安放样品的靶台