射線的康普頓散射

1、X射線的康普頓效應(yīng)實(shí)驗(yàn)前請(qǐng)仔細(xì)閱讀附后的輻射防護(hù)知識(shí)。（注：各組前10位同學(xué)預(yù)習(xí)“核磁共振成像”，11、12號(hào)預(yù)習(xí)本實(shí)驗(yàn)）一實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、通過X-射線在NaCl晶體上的第一級(jí)衍射認(rèn)識(shí)鉬陽極射線管的能譜，了解Edge absorption。2、驗(yàn)證X光子康普頓散射的波長漂移二實(shí)驗(yàn)原理：1、X射線的產(chǎn)生高速運(yùn)動(dòng)的電子遇到物質(zhì)而減速時(shí)，即可產(chǎn)生X-射線。根據(jù)經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)理論，這種減速將產(chǎn)生電磁波輻射。能譜分連續(xù)譜和特征譜兩部分：連續(xù)譜是高速電子與靶原子發(fā)生碰撞，一般會(huì)有多次碰撞，輻射出的光子能量各不相同，形成連續(xù)譜，即軔致輻射，它是一個(gè)連續(xù)光譜，且有確定的最高頻率（或最小波長）。當(dāng)電子的能量超過一臨

2、界值時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)X射線的特征譜線，即在連續(xù)的軔致輻射光譜上添加分離的光譜線。這是因?yàn)楫?dāng)更高能量的電子深入到陽極原子的殼內(nèi)，通過撞擊將最里面軌道上的電子驅(qū)逐出來后，產(chǎn)生的空位由外層軌道的電子填補(bǔ)，并發(fā)射X射線。各外層電子躍遷到n=1的殼層（K層）產(chǎn)生的X射線組成K線系：L層到K層的為線，M層到K層的為線。本實(shí)驗(yàn)的X射線光管結(jié)構(gòu)如圖：X光管的結(jié)構(gòu)如圖4所示。它是一個(gè)抽成高真空的石英管，其下面(1)是接地的電子發(fā)射極，通電加熱后可發(fā)射電子；上面(2)是鉬靶，工作時(shí)加以幾萬伏的高壓。電子在高壓作用下轟擊鉬原子而產(chǎn)生X光，鉬靶受電子轟擊的面呈斜面，以利于X光向水平方向射出。(3)是銅塊、(4)是螺旋狀熱

3、沉，用以散熱。(5)是管腳。 X射線的產(chǎn)生，為我們更透徹的認(rèn)識(shí)事物的微觀結(jié)構(gòu)提供了一個(gè)非常有效的手段。因?yàn)槠洳ㄩL較短（與原子間距同數(shù)量級(jí)），射入原子有序排列的晶體時(shí)，會(huì)發(fā)生類似可見光入射到光柵時(shí)的衍射現(xiàn)象。其基本規(guī)律即為布拉格公式：，其中 即掠射角，d是晶體的晶面間距。2、 康普頓效應(yīng)1923年，美國物理學(xué)家Compton發(fā)現(xiàn)被散射體散射的X射線的波長的漂移，并將原因歸結(jié)為X射線的量子本質(zhì)。他解釋這種效應(yīng)是一個(gè)X光量子和散射物質(zhì)的一個(gè)電子發(fā)生碰撞，其中X光量子的能量發(fā)生了改變，它的一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)移給了電子。 h:普朗克常數(shù) c:光速 ：波長在碰撞中，能量和動(dòng)量守恒。碰撞前，電子可以認(rèn)為是靜止的。

4、碰撞后電子的速度為v，和是X光量子散射前后的波長，依據(jù)相對(duì)論的能量守恒的公式表述可以得到： M0:電子的質(zhì)量X光子的動(dòng)量為：動(dòng)量的守恒導(dǎo)致：碰撞角度（見上圖）最終波長的改變量為常數(shù)定義為康普頓波長，本實(shí)驗(yàn)是利用一個(gè)銅箔來證明波長漂移現(xiàn)象的存在。因?yàn)殂~箔的透射系數(shù)TCu會(huì)隨X光子的波長變化，故由于康散而導(dǎo)致的X光子波長的漂移就表現(xiàn)在透射率或計(jì)數(shù)率的改變。波長與銅箔的透射率間的關(guān)系可以用公式表述為：其中=7.6，n2.75實(shí)驗(yàn)的開始是記錄被鋁散射的X光子的無衰減時(shí)的計(jì)數(shù)率R0,接著是將銅箔放置在鋁的前后得到的兩個(gè)計(jì)數(shù)率R1和R2(看下圖)。因?yàn)橛?jì)數(shù)率低，故背景輻射R也要考慮。則透射率是： 和 由此

5、得到X光子的平均波長、。根據(jù)公式得到波長的漂移為故有三實(shí)驗(yàn)儀器：實(shí)驗(yàn)儀器為德國萊寶公司生產(chǎn)的X射線實(shí)驗(yàn)儀。其正面從左往右依次為控制面板、X光室和實(shí)驗(yàn)區(qū)?？刂泼姘宓慕榻B如下：1、 控制面板b1為顯示區(qū)，通常第一行顯示G-M計(jì)數(shù)管的計(jì)數(shù)率（正比于X光光強(qiáng)），第二行顯示工作參數(shù)的具體值。b2 調(diào)整b1第二行的工作參數(shù)值。b3均為工作參數(shù)選擇鍵，含下面5個(gè)鍵：U：X 射線管高壓，035kV；I：發(fā)射電流,， 01mA；：測(cè)量時(shí)間（每角度步幅）,510s；：步進(jìn)角寬度,0°20° limits:確定測(cè)角器掃描范圍的上限角和下限角，（第一次按，出現(xiàn)“”，利用b2選擇下限角，第二次按，出

6、現(xiàn)“”，利用b2選擇上限角）b4:掃描模式 （進(jìn)入或啟動(dòng)該掃描模式）及歸零鍵，共4個(gè)鍵sensor :傳感器掃描模式，按下此鍵后，只是帶GM計(jì)數(shù)器的機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)?？衫胋2手動(dòng)旋轉(zhuǎn)傳感器的位置，也可用 limits設(shè)置自動(dòng)掃描時(shí)傳感器的上、下限角，顯示器的下行此時(shí)顯示傳感器的角位置；target：:靶臺(tái)掃描模式，放置樣品用的平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)。調(diào)節(jié)方法同sensor。coupled: 耦合掃描模式，計(jì)數(shù)器和靶臺(tái)一起轉(zhuǎn)動(dòng)。且傳感器的轉(zhuǎn)角自動(dòng)保持為靶臺(tái)轉(zhuǎn)角的2倍。調(diào)節(jié)方法同上。Zero：歸零鍵，靶臺(tái)和傳感器都回到0位。b5:五個(gè)操作鍵。Reset：靶臺(tái)和傳感器回到0位，且參數(shù)（b3中設(shè)定的值）回到缺省值，X管

7、的高壓斷開；replay:將顯示的數(shù)據(jù)再次輸入到計(jì)算機(jī)；scan(on/off)：測(cè)量系統(tǒng)的開關(guān)鍵，開啟時(shí)，X管加高壓，測(cè)角器開始自動(dòng)掃描，數(shù)據(jù)自動(dòng)輸入計(jì)算機(jī)； X： 聲脈沖開關(guān)，本實(shí)驗(yàn)中不必用它；Hv(ONOFF)：開關(guān)X光管上的高壓，其上的指示燈（b6）閃爍時(shí)，表示已加了高壓。2、實(shí)驗(yàn)區(qū)可安排各種實(shí)驗(yàn)，它的玻璃門可滑動(dòng)，在X射線管工作時(shí)，儀器的安全保護(hù)電路應(yīng)確保此門處于鎖閉狀態(tài)。其主要器件分為3部分：X光的出口，安放樣品的靶臺(tái)，裝有GM計(jì)數(shù)管的傳感器。3 測(cè)試軟件本實(shí)驗(yàn)儀器專用的軟件“X-ray Apparatus”已安裝在計(jì)算機(jī)內(nèi)，只要雙擊該快捷鍵的圖標(biāo)，即可出現(xiàn)一個(gè)測(cè)量畫面，它主要由上

8、部的菜單欄、左邊的數(shù)據(jù)欄和右邊的圖形欄三部分組成。在菜單欄上選擇“Bragg”，即可進(jìn)行布拉格衍射實(shí)驗(yàn)。當(dāng)在X射線實(shí)驗(yàn)儀中按下“SCAN”開關(guān)(ON)時(shí)，軟件就開始自動(dòng)采集和顯示測(cè)量結(jié)果：屏幕的左邊顯示靶臺(tái)的角位置和傳感器中接收到的X光光強(qiáng)的數(shù)據(jù)；而右邊則將此數(shù)據(jù)作圖，其縱坐標(biāo)為X光光強(qiáng)(單位是1s)，橫坐標(biāo)為靶臺(tái)的轉(zhuǎn)角(單位是°) 。四實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1 鉬原子的X特征譜線1） 將NaCl放置在靶臺(tái)上。操作時(shí)，必須戴一次性手套，首先將鎖定桿逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，靶臺(tái)鎖定解除，把NaCl樣品(平板)輕輕放在靶臺(tái)上，向前推到底后將靶臺(tái)輕輕向上抬起，確保樣品被支架上的凸楞壓?。蛔詈箜槙r(shí)針輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)鎖定桿，

9、使靶臺(tái)鎖定。2）設(shè)置工作參數(shù)高壓U=30kV，發(fā)射電流I=1mA，=6s，=0.1分別按COUPLED和 limits鍵設(shè)置靶的下限為2.5°，上限32.5°啟動(dòng)管高壓HV(ONOFF)，按SCAN啟動(dòng)測(cè)量。3）記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果測(cè)量結(jié)束后，調(diào)出程序中的setting對(duì)話框（F5），輸入NaCl的d值（d=282.01pm），此時(shí)圖的橫坐標(biāo)由掠射角自動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)椴ㄩL。記錄各級(jí)衍射峰的中心值（、），并求出其平均值。2邊吸收（edge absorption）1）戴一次性手套，將Zr濾波器安裝在準(zhǔn)直器的出口端，注意：該儀器實(shí)驗(yàn)區(qū)的空間較小，而準(zhǔn)直器的安裝位較深，拔出時(shí)不要用力過猛，以免撞到

10、放置樣品的靶臺(tái)。2）實(shí)驗(yàn)設(shè)置和步驟如上。3）記錄衍射峰峰值，并和實(shí)驗(yàn)1的結(jié)果比較。3X射線的康普頓效應(yīng)1）經(jīng)靶臺(tái)上的NaCl樣品換成實(shí)驗(yàn)提供的的鋁塊。2）按下TARGET，使用ADJUST鈕調(diào)節(jié)靶的角度到20°。按下SENSOR，用ADJUST鈕調(diào)節(jié)傳感器的角度到145°。3）設(shè)置管高壓U=30kV，反射電流I=1.00mA。角的步進(jìn)寬度 a)無銅濾波器設(shè)定測(cè)量時(shí)間使用HV(ONOFF)、SCAN鍵啟動(dòng)測(cè)量。當(dāng)測(cè)量時(shí)間結(jié)束時(shí)，按REPLAY鍵，顯示區(qū)的第一行即為平均計(jì)數(shù)率，記錄下該值，標(biāo)為R0。 b)銅濾波器放在鋁散射體的前面將銅濾波器安裝在準(zhǔn)直器的出口，測(cè)量時(shí)間升至后，實(shí)

11、驗(yàn)步驟同a），該計(jì)數(shù)率標(biāo)為R1。c)銅濾波器放在鋁散射體的后面將銅濾波器安裝在傳感器上,測(cè)量時(shí)間為后，實(shí)驗(yàn)步驟同a），該計(jì)數(shù)率標(biāo)為R2。d)背景效應(yīng)取下銅濾波器，設(shè)定發(fā)射電流I=0，測(cè)量時(shí)間為后，實(shí)驗(yàn)步驟同a），該計(jì)數(shù)率標(biāo)為R。使用SCAN鍵啟動(dòng)測(cè)量。當(dāng)測(cè)量時(shí)間結(jié)束時(shí)，按REPLAY鍵，顯示的即為平均計(jì)數(shù)率R，記錄下該值，標(biāo)為R。f)數(shù)據(jù)計(jì)算依據(jù)實(shí)驗(yàn)原理中的相關(guān)公式計(jì)算其波長漂移量，并與與康散的理論值相比輻射防護(hù)知識(shí)：X射線裝置在X射線管輻射中心區(qū)域產(chǎn)生的局部劑量率可能超過10 Sv/h（安全劑量率：5Sv/h或1mSv/a），即使短時(shí)間照射，該劑量率也會(huì)對(duì)生命組織產(chǎn)生較嚴(yán)重的傷害。在裝置外部，由于內(nèi)置的防護(hù)裝置和屏蔽限制局部劑量率小于1Sv/h，該值與天然本底輻射處于同一量級(jí)。裝置內(nèi)部所產(chǎn)生的高計(jì)量率意味著使用者在操作X射線裝置時(shí)要特別小心。未經(jīng)許可不得進(jìn)入到裝置內(nèi)部。開啟該裝置前，要檢查設(shè)備的外罩，尤其是鉛玻璃窗和包圍X射線管的鉛玻璃管是否完好，玻璃滑門應(yīng)關(guān)閉良好。測(cè)試兩個(gè)安全保護(hù)電路能否正常工作。按下滑動(dòng)門的鎖銷時(shí)，要注意觀察X射線管，確保其高壓能自動(dòng)切斷。不