北京邮电大学：《大学物理实验》课程实验讲义（物理电子学）X射线相关实验

X射线相关实验 实验1X射线相关实验 X射线是1895年伦琴(Rontgen)发现的，由于当时不知道其根源，所以称为X射线，为了 纪念这一重大发现，人们也把它称为伦琴射线。为此，伦琴在1901年获得了第一届诺贝尔物理 学奖。 在X射线被发现短短几个月之后，就被应用到医学方面，用来检查人体的内伤。其后不久， 又被用于工程技术方面，用来检验金属部件的内部缺陷。但是，X射线是什么？它对人有什么危 苦？当时的人们对它还一无所知。 'o 图1.1人类第一张X射线的照片 图12X射线检测部件内部结构图13X射线管示意图 X射线的产生和性质 1.X射线的本质 X射线是电磁波的一种。就其本质而言，它和可见光、紫外线、Y射线以及宇宙射线等是相 同的，均属于电磁辐射。在电磁波谱中，X射线的波长范围为20-0.06A。 可 无线电波 红外线光紫外线X射线射线字宙射线 1010-110310510710910110131015 图14电磁波谱（单位：m) 2.X射线的产生 实验室中X射线由X射线管产生，如图13所示。X射线管是具有阴极和阳极的真空管，阴 极用钨丝制成，通电后可发射热电子，阳极（靶极）用高熔点金属制成（一般用钨，用于品体结 构分析的X射线管还可用铁、铜、镍等材料)。用几万伏至几十万伏的高压加速电子，电子束轰

Ｘ射线相关实验 1 实验 1 X 射线相关实验 X 射线是 1895 年伦琴（Röntgen）发现的，由于当时不知道其根源，所以称为 X 射线，为了 纪念这一重大发现，人们也把它称为伦琴射线。为此，伦琴在 1901 年获得了第一届诺贝尔物理 学奖。 在 X 射线被发现短短几个月之后，就被应用到医学方面，用来检查人体的内伤。其后不久， 又被用于工程技术方面，用来检验金属部件的内部缺陷。但是，X 射线是什么？它对人有什么危 害？当时的人们对它还一无所知。 图 1.1 人类第一张 X 射线的照片 图 1.2 X 射线检测部件内部结构 图 1.3 X 射线管示意图 X 射线的产生和性质 1. X 射线的本质 X 射线是电磁波的一种。就其本质而言，它和可见光、紫外线、γ 射线以及宇宙射线等是相 同的，均属于电磁辐射。在电磁波谱中，X 射线的波长范围为 20~0.06Å。 图 1.4 电磁波谱（单位：m） 2. X 射线的产生 实验室中 X 射线由 X 射线管产生，如图 1.3 所示。X 射线管是具有阴极和阳极的真空管，阴 极用钨丝制成，通电后可发射热电子，阳极（靶极）用高熔点金属制成（一般用钨，用于晶体结 构分析的 X 射线管还可用铁、铜、镍等材料）。用几万伏至几十万伏的高压加速电子，电子束轰

近代物理实验讲义 击靶极，X射线从靶极发出。当阴极K发射的电子在几万伏电压U的加速下，高速撞击阳极A, 即有X射线产生。阳极通常是用钨、钼等金属做成。 3.X射线的性质 1)波粒二象性 X射线和可见光以及其它微观粒子（如电子、中子、质子等）一样，都同时具有波动及微粒 双重特性，简称波粒二象性。它的波动性主要表现为以一定的频率和波长在空间传播，以及干涉、 衍射现象：它的微粒性主要表现为以光子形式辐射和吸收时具有一定的质量、能量和动量。 X射线的频率W、波长入以及其光子的能量c、动量p之间的关系如下： 6=h=hc (1.1) (1.2) 2)X射线谱 由X射线管发射出来的X射线可以分为两种类型。一种是具有连续波长的X射线，和可见 光的白光相似。另一种是在连续谱的基础上叠加若干条具有一定波长的线光谱，波长与靶材料有 关，称为标识谱，也叫特征谱。 E 2 eE(E<E) 图1.5X射线 图1.6X射线韧致辐射的机理 连续谱 图1.6提供了一个能够解释连续谱的物理过程，即韧致辐射过程。具有动能E6的电子与靶原 子核相遇时，通过库仑场和原子核相互作用，而使运动方向变化，即获得加速度。电子作加速运 动时就会向外辐射电磁波，这就是X射线发射。如果碰撞后的电子动能为E,忽略靶核获得的动 能，则有 hv=Eo-E (1.3) 若一次碰撞就使电子动能减为零，则 hc 1.4)

近代物理实验讲义 2 击靶极，X 射线从靶极发出。当阴极 K 发射的电子在几万伏电压 U 的加速下，高速撞击阳极 A， 即有 X 射线产生。阳极通常是用钨、钼等金属做成。 3. X 射线的性质 1) 波粒二象性 X 射线和可见光以及其它微观粒子（如电子、中子、质子等）一样，都同时具有波动及微粒 双重特性，简称波粒二象性。它的波动性主要表现为以一定的频率和波长在空间传播，以及干涉、 衍射现象；它的微粒性主要表现为以光子形式辐射和吸收时具有一定的质量、能量和动量。 X 射线的频率 ν、波长 λ 以及其光子的能量 ε、动量 p 之间的关系如下：   hc = hv = (1.1)  h p = (1.2) 2) X 射线谱 由 X 射线管发射出来的 X 射线可以分为两种类型。一种是具有连续波长的 X 射线，和可见 光的白光相似。另一种是在连续谱的基础上叠加若干条具有一定波长的线光谱，波长与靶材料有 关，称为标识谱，也叫特征谱。 图 1. 5 X 射线谱 图 1.6 X 射线韧致辐射的机理 连续谱 图 1.6 提供了一个能够解释连续谱的物理过程，即韧致辐射过程。具有动能 E0 的电子与靶原 子核相遇时，通过库仑场和原子核相互作用，而使运动方向变化，即获得加速度。电子作加速运 动时就会向外辐射电磁波，这就是 X 射线发射。如果碰撞后的电子动能为 E，忽略靶核获得的动 能，则有 hv = E0 − E (1.3) 若一次碰撞就使电子动能减为零，则 min 0 max  hc E = hv = (1.4)

X射线相关实验 又因为电子的动能E。=eU,所以 1.5) 这是所有产生的光子中，能量最高的，也就是波长最短的。从上式可以看出，它只与管压有 关。实际上，这种可能很小，大多数情况下电子需要经过多次碰撞才能停下来，每次碰撞辐射不 同的能量，连续谱就是由许多电子的许多次碰撞的结果。 标识谱 标识X射线谱的产生机理与阳极物质的原子内部结构是紧密相关的。原子的核外电子按泡利 不相容原理和能量最低原理分布于各能级。能级是不连续的，按其能量大小分为数层，分别用K、 L、M、N…等字母代表它们的名称。K层最靠近 原子核，它的能量最低。 电子在与阳极的碰撞过程中，偶然会将粑原子 的内层电子击出，使原子处于激发态。这种激发态 是不稳定的，随后就有较高能级上的电子向低能级 上的空穴跃迁，同时向外辐射光子。由于能量守恒， 个 光子的能量就等于两个能级的能量差。 图1.7原子能级示意图 例如，当K层电子被击出时，K层的空穴会被 高能级电子填充，这时产生的辐射称为K系辐射。 K层的空穴被L层的电子填充时产生的辐射称为K。辐射，被M层的电子填充时产生的辐射称为 K辐射，其余的L、M等系辐射的情况类似。 【仪器简介】 i4 d 图L.8X光机结构图 。主开关b控制面板c连接面板dX光管室。实验区域f荧光屏g空通道h使定杆 1脚k提手柄

Ｘ射线相关实验 3 又因为电子的动能 E0 = eU ，所以 eU hc  min = (1.5) 这是所有产生的光子中，能量最高的，也就是波长最短的。从上式可以看出，它只与管压有 关。实际上，这种可能很小，大多数情况下电子需要经过多次碰撞才能停下来，每次碰撞辐射不 同的能量，连续谱就是由许多电子的许多次碰撞的结果。 标识谱 标识 X 射线谱的产生机理与阳极物质的原子内部结构是紧密相关的。原子的核外电子按泡利 不相容原理和能量最低原理分布于各能级。能级是不连续的，按其能量大小分为数层，分别用 K、 L、M、N……等字母代表它们的名称。K 层最靠近 原子核，它的能量最低。 电子在与阳极的碰撞过程中，偶然会将靶原子 的内层电子击出，使原子处于激发态。这种激发态 是不稳定的，随后就有较高能级上的电子向低能级 上的空穴跃迁，同时向外辐射光子。由于能量守恒， 光子的能量就等于两个能级的能量差。 例如，当 K 层电子被击出时，K 层的空穴会被 高能级电子填充，这时产生的辐射称为 K 系辐射。 K 层的空穴被 L 层的电子填充时产生的辐射称为 K 辐射，被 M 层的电子填充时产生的辐射称为 K 辐射，其余的 L、M 等系辐射的情况类似。 【仪器简介】 图 1.8 X 光机结构图 a 主开关 b 控制面板 c 连接面板 d X 光管室 e 实验区域 f 荧光屏 g 空通道 h 锁定杆 i 脚 k 提手柄 图 1.7 原子能级示意图

近代物理实验讲义 【思考题】 1.电子加速运动时就会向外辐射电磁波吗？为什么？ 2.35kw的X射线管能产生的最短波长是多少？ 3.X射线管和氢原子光谱灯的工作原理有何异同？ 实验1.1X射线的探测 【实验目的】 1.通过观察荧光屏产生的荧光探测x射线： 2.用充满空气的电离室检测x射线： 【预习要求】 1.预习实验1的全部内容及思考题： 2.了解照射量、吸收剂量等物理概念。 【实验原理】 X射线是看不见、摸不着的，它的发现是因为 它能使照相底片感光。因此，照相底片是探测X射 线的一个工具。另外，探测X射线的工具还有荧光 屏和各种辐射探测器。本实验研究荧光屏探测和电 离室探测，后面的实验都用辐射探测器（闪烁探测 图111计算器的荧光屏图 器)。 1.荧光屏法 荧光屏是将硫化锌镉涂于玻璃上制成的。这种荧光物质用在铅玻璃中能保护观察者不受X射 线的危害。荧光是一种发光现象。当某些物质暴露于光、X射线或其他粒子辐射时，就会受到激 发或电离，而当这些原子或分子回到基态时，就会辐射出光子。如果其光子能量在可见光范围内， 我们就看到了荧光。 当一束X射线通过物质时，由于散射和吸收的作用会使其透射方向上的射线强度减弱。衰减 的程度取决于物质的厚度和材料。如果受辐射物体由具有不同吸收特性的零件组成，辐射的衰减 就会有强有弱，导致荧光屏上的荧光会出现强弱不同，如图1.1,1所示。这就是为什么荧光屏的 图象能揭示物体内部结构的原因。X射线穿过不透明物质和人体的能力使它在安全检查、医疗诊 断方面应用广泛 2.电离室法 X射线是致电离辐射的一种，它能够使空气电离，其强度可以由照射量X来表示。在质量为 dm的一个体积元的空气中，由于Y辐射或X辐射的照射电离而形成的正负离子，一种符号的离

近代物理实验讲义 4 【思考题】 1. 电子加速运动时就会向外辐射电磁波吗？为什么？ 2. 35kv 的 X 射线管能产生的最短波长是多少？ 3. X 射线管和氢原子光谱灯的工作原理有何异同？ 实验 1.1 X 射线的探测 【实验目的】 1. 通过观察荧光屏产生的荧光探测 x 射线； 2. 用充满空气的电离室检测 x 射线； 【预习要求】 1. 预习实验 1 的全部内容及思考题； 2. 了解照射量、吸收剂量等物理概念。 【实验原理】 X 射线是看不见、摸不着的，它的发现是因为 它能使照相底片感光。因此，照相底片是探测 X 射 线的一个工具。另外，探测 X 射线的工具还有荧光 屏和各种辐射探测器。本实验研究荧光屏探测和电 离室探测，后面的实验都用辐射探测器（闪烁探测 器）。 1. 荧光屏法 荧光屏是将硫化锌镉涂于玻璃上制成的。这种荧光物质用在铅玻璃中能保护观察者不受 X 射 线的危害。荧光是一种发光现象。当某些物质暴露于光、X 射线或其他粒子辐射时，就会受到激 发或电离，而当这些原子或分子回到基态时，就会辐射出光子。如果其光子能量在可见光范围内， 我们就看到了荧光。 当一束 X 射线通过物质时，由于散射和吸收的作用会使其透射方向上的射线强度减弱。衰减 的程度取决于物质的厚度和材料。如果受辐射物体由具有不同吸收特性的零件组成，辐射的衰减 就会有强有弱，导致荧光屏上的荧光会出现强弱不同，如图 1.1.1 所示。这就是为什么荧光屏的 图象能揭示物体内部结构的原因。X 射线穿过不透明物质和人体的能力使它在安全检查、医疗诊 断方面应用广泛。 2. 电离室法 X 射线是致电离辐射的一种，它能够使空气电离，其强度可以由照射量 X 来表示。在质量为 dm 的一个体积元的空气中，由于 γ 辐射或 X 辐射的照射电离而形成的正负离子，一种符号的离 图 1.1.1 计算器的荧光屏图

X射线相关实验 子的总电荷的绝对值dQ与dm的比值，称为照射量（只适用于空气）。 r-№ (1.1.1) dm 其国际单位是库仑千克(Ckg),常用单位是伦琴(R), 1R-2.58×10C1kg 如果辐射不能使物质电离，就无法计算照射量。因此，一般情况下，我们用另一个物理量 一吸收剂量来代替照射量。单位质量的被照射物质吸收的平均辐射能量称为吸收剂量D(适用于 所有物质)。 (1.1.2) 其国际单位是戈瑞(Gray),lGy=Jkg。 单位时间内的照射量增量为照射量率？，单位时间内的吸收剂量增量为吸收剂量率D, f 0 (1.1.3) 利用X射线的电离效应，我们可以探测X射线。 如图1.12所示，我们在平行板电容上加上足够高的电 压，将X射线电离的所有电荷都收集起来形成电流 测出电流c的大小(X射线不能直接照到平板)，就 可以计算平均照射量率了。 1.1.1)可得 =-d№d山 (1.1.4) di dm-dt dm 图112电离 所以，平均照射量率为 倒-品 (1.1.5) 其中，m=p。空气密度可由下式计算 p=A手君 1.1.6 其中P6=1.293kgm3,T。=273k,=1.013×103Pa。 下面计算被照空气的体积。如图1.13，将X射线管焦点看作一个点，则很易算出 r-aoo-写装国-=l25a (1.1.7) 因此，测出电流1。，根据公式(1.15)，就可以计算平均照射量率了

Ｘ射线相关实验 5 子的总电荷的绝对值 dQ 与 dm 的比值，称为照射量（只适用于空气）。 dm dQ X = (1.1.1) 其国际单位是库仑/千克（C/kg），常用单位是伦琴（R）， 1R 2.58 10 C/ kg −4 =  如果辐射不能使物质电离，就无法计算照射量。因此，一般情况下，我们用另一个物理量— —吸收剂量来代替照射量。单位质量的被照射物质吸收的平均辐射能量称为吸收剂量 D（适用于 所有物质）。 dm d D  = (1.1.2) 其国际单位是戈瑞（Gray），1Gy=1J/kg。 单位时间内的照射量增量为照射量率 X  ，单位时间内的吸收剂量增量为吸收剂量率 D  ， dt dX X = ， dt dD D = (1.1.3) 利用 X 射线的电离效应，我们可以探测 X 射线。 如图 1.1.2 所示，我们在平行板电容上加上足够高的电 压，将 X 射线电离的所有电荷都收集起来形成电流， 测出电流 Ic 的大小（X 射线不能直接照到平板），就 可以计算平均照射量率了。 由(1.1.1)可得 dm dI dm dt dQ dt dX X c =   = = (1.1.4) 所以，平均照射量率为 m I X c  = (1.1.5) 其中， m = V 。空气密度可由下式计算 0 0 0 P P T T  =    (1.1.6) 其中 3 0 1.293 −  = kg m ，T 273k 0 = ， P Pa 5 0 =1.01310 。 下面计算被照空气的体积。如图 1.1.3，将 X 射线管焦点看作一个点，则很易算出 3 3 1 3 2 2 0 0 0 ( ) 125 3 1 ( ) ( ) 2 1 s s cm s a b V a s b s ds s s  − =  =   =  (1.1.7) 因此，测出电流 c I ，根据公式(1.1.5)，就可以计算平均照射量率了。 图 1.1.2 电离室