用X射線衍射儀測量普朗克常量

王合英，孫文博

（清華大學(xué)物理系，北京 100084）

用X射線衍射儀測量普朗克常量

王合英，孫文博

（清華大學(xué)物理系，北京 100084）

討論了用X射線衍射儀測量普朗克常量的誤差來源和改進(jìn)方法.由于儀器結(jié)構(gòu)和所用透明單晶樣品對譜線的展寬效應(yīng)使不同電壓對應(yīng)的最短波長測量值減小，在計(jì)算普朗克常量時(shí)應(yīng)對實(shí)驗(yàn)測量的各最短波長進(jìn)行修正.結(jié)果表明用修正的最短波長擬合得到的普朗克常量與理論值基本一致.

普朗克常量；X射線衍射儀；譜線展寬

1 引 言

普朗克常量是人類探索自然的過程中最偉大的發(fā)現(xiàn)之一，在物理學(xué)發(fā)展史上是一個(gè)重要的里程碑，它是聯(lián)系經(jīng)典物理和近代物理的橋梁.我國各高等院校普遍開設(shè)了用光電效應(yīng)法測量普朗克常量的實(shí)驗(yàn)，但實(shí)驗(yàn)誤差較大.不少文獻(xiàn)對此進(jìn)行了分析與討論［1-7］.葉企孫先生曾于1921年在Harvard大學(xué)用X射線測量普朗克常量［8］.本文介紹用X射線衍射儀測量普朗克常量的方法，并討論其誤差來源和改進(jìn)方案.

2 實(shí)驗(yàn)原理

X射線的產(chǎn)生是利用高速電子和物質(zhì)原子的碰撞來實(shí)現(xiàn).從X射線管發(fā)出的X射線分為連續(xù)光譜和特征光譜.高速電子到達(dá)陽極靶表面時(shí)，電子的運(yùn)動突然受阻，根據(jù)電磁場理論，這種電子產(chǎn)生軔致輻射，向外發(fā)射電磁波.由于電子的數(shù)量很多，它們到達(dá)陽極靶上的條件和時(shí)間不同，而且入射電子的能量未完全轉(zhuǎn)化為X射線或轉(zhuǎn)化程度不同，因而形成具有各種波長的連續(xù)X射線譜.連續(xù)譜中的最短波長相當(dāng)于最大的電子能量，即短波限波長或截止波長λmin.截止波長與靶材料的種類無關(guān)，僅取決于外加電壓U 的大小.X射線管高壓越高最短波長越短.1915年美國物理學(xué)家William Duane和Franklin L.Hunt發(fā)現(xiàn)最短波長的倒數(shù)與所加高壓成正比，稱為Duane-Hunt關(guān)系.

Duane-Hunt關(guān)系可以用量子理論解釋：能量為eU的電子和物質(zhì)碰撞產(chǎn)生光量子時(shí)，光量子的能量最多等于電子的能量，因此輻射必定有頻率上限νmax，對應(yīng)最短波長λmin，則有：

式中，h為普朗克常量，c為光速，e為電子電荷.由此可得：

X射線連續(xù)譜波長的確定依據(jù)布拉格公式

式中，θ為掠射角，d為NaCl晶面間距.已知NaCl（100）的晶面間距d＝282.01 pm，根據(jù)測量的衍射角利用式（3）計(jì)算相應(yīng)的X射線連續(xù)譜的波長.

3 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)用德國Leybold教學(xué)儀器廠生產(chǎn)的X射線衍射儀通過NaCl單晶反射得到不同電壓下X射線連續(xù)譜，求出不同電壓下X射線連續(xù)譜的最短波長.所用X射線由電子轟擊Mo靶產(chǎn)生.測量時(shí)首先對X射線衍射儀的測角儀用NaCl單晶衍射進(jìn)行校準(zhǔn)，以保證測量角度的準(zhǔn)確性，進(jìn)而保證計(jì)算出最短波長的準(zhǔn)確性.測量普朗克常量時(shí)X光管的電壓變化范圍為22～35 k V，電流為1 m A，測量角度范圍為2.5°～6.5°，角步幅0.1°，以耦合掃描方式，使傳感器與靶臺轉(zhuǎn)角按2∶1耦合轉(zhuǎn)動，用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理.

4 結(jié)果分析與討論

圖1給出用耦合掃描方式得到NaCl單晶樣品（100）晶面的X射線衍射譜.從圖1可以看出X射線譜是由連續(xù)譜上疊加2個(gè)特征峰Kβ和Kα組成的，6個(gè)衍射峰分別對應(yīng)X射線特征譜線Kβ和Kα在NaCl（100）晶面的一級、二級和三級衍射.Kα的一級衍射峰對應(yīng)的入射角為7.2°，與理論值相符，說明儀器的角度測量準(zhǔn)確.

圖1 NaCl單晶（100）晶面的X射線衍射譜

用NaCl單晶作為樣品，改變電壓，在2.5～6.5°范圍分別測量不同電壓下X射線連續(xù)譜如圖2所示.

圖2 不同電壓下NaCl單晶反射得到的X射線連續(xù)譜

根據(jù)圖2利用線性擬合得到不同電壓對應(yīng)的X射線的最短波長如表1所示.

表1 不同電壓下X射線連續(xù)譜的最短波長

將λmin和1/U進(jìn)行線性擬合，得到擬合直線斜率A＝1 215.6 pm·k V.由（2）式知

由（4）式計(jì)算普朗克常量h＝6.49×10－34J·s，小于理論值h＝6.63×10－34J·s.

用線性擬合方法確定最短波長，與實(shí)驗(yàn)者選取擬合的線性區(qū)間有很大關(guān)系，造成一定的隨機(jī)誤差.但從學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的結(jié)果看，幾乎所有學(xué)生用這種方法計(jì)算出的普朗克常量都略小于理論值，說明這種方法測量普朗克常量的誤差不僅來源于擬合數(shù)據(jù)取值的隨機(jī)誤差，還應(yīng)有其他誤差來源.

X射線衍射儀的譜線峰型既和儀器的構(gòu)造、實(shí)驗(yàn)條件有關(guān)，也和實(shí)驗(yàn)所用樣品的結(jié)構(gòu)有關(guān).本實(shí)驗(yàn)所用的X射線衍射儀結(jié)構(gòu)比較簡單，X射線入射斜縫和出射狹縫是固定斜縫，而且有一定寬度，同時(shí)儀器的響應(yīng)函數(shù)并不是Delta函數(shù)，導(dǎo)致測得的譜線有一定展寬.最重要的是所用NaCl單晶樣品是透明晶體，即使不考慮晶體內(nèi)缺陷或應(yīng)力的影響，透明晶體對射線吸收系數(shù)小，使得入射到樣品的X射線不僅在樣品表面發(fā)生反射，在樣品內(nèi)部的晶面也發(fā)生較強(qiáng)的反射，導(dǎo)致峰寬增加.以上因素都使在不同電壓下得到的截止波長λmin比實(shí)際的截止波長小，從而導(dǎo)致普朗克常量h的測量值偏小.為了較精確地測量普朗克常量，應(yīng)該對譜線展寬造成的截止波長變小的影響進(jìn)行修正.

據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，Mo原子所產(chǎn)生的X射線特征譜中Kα＝71.08 pm的譜線的自然展寬約為FWHM＝0.026 pm［9］，而從圖1中NaCl單晶衍射圖的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測得一級衍射峰的半峰全寬FWHM約為2.4 pm（35 k V加速電壓），比自然展寬大近2個(gè)數(shù)量級，說明譜線展寬對實(shí)驗(yàn)結(jié)果有重要的影響.可以利用NaCl單晶產(chǎn)生的一級布拉格衍射峰測量該儀器在實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的2條特征譜線的展寬，利用該展寬值對極限波長法測h中測得的λmin進(jìn)行修正，以得到比較真實(shí)的最短波長λmin.

由于最短波長與電壓有關(guān)，要對不同電壓下的最短波長進(jìn)行修正，應(yīng)測量不同電壓下的NaCl晶體X射線衍射峰的FWHM的大小，然后用擬合得到的λmin值加上這些FWH M的一半就可以得到修正后的.

表2 不同電壓對應(yīng)的Kα特征譜線的FWHM以及對應(yīng)λmin的修正值

表2 不同電壓對應(yīng)的Kα特征譜線的FWHM以及對應(yīng)λmin的修正值

U/k V I/m A FWH M/pmλmin/pm λ*min/pm 35 1.00 2.4 34.3 35.5 34 1.00 2.4 35.2 36.4 32 1.00 2.4 37.2 38.4 30 1.00 2.4 40.2 41.4 28 1.00 2.4 43.2 44.4 26 1.00 2.4 46.2 47.4 24 1.00 2.4 50.1 51.3 22 1.00 2.2 55.0 56.1

在不同加速電壓下測量得到的特征譜線Kα的半峰全寬FWHM、最短波長λmin及最短波長修正值見表2.表2中前2列數(shù)據(jù)分別為X射線管的電壓和電流，第3列是不同電壓條件下Mo原子的特征譜Kα線經(jīng)NaCl單晶（100）晶面衍射形成的一級衍射峰的半峰全寬FWH M值；第4列λmin為不同電壓下測量X射線連續(xù)譜的最短波長值，第5列為用半峰全寬對譜線展寬效應(yīng)修正后的最短波長.譜線展寬效應(yīng)的修正方法由（5）式給出：過原點(diǎn)作表2中的直線擬合圖，如圖3所示.線性擬合系數(shù)為A*＝1 237.7 pm·k V.將A*＝1 237.7 pm·k V代入（4）式，計(jì)算出普朗克常量h＝6.61×10－34J·s.可見對最短波長修正后得到的普朗克常量較修正之前更接近真實(shí)值h＝6.63×10－34J·s.這表明用X射線衍射儀測量普朗克常量時(shí)應(yīng)該考慮儀器結(jié)構(gòu)和透明單晶樣品反射所造成的譜線展寬的影響.用衍射峰半峰全寬對X射線連續(xù)譜的最短波長加以修正，是用X射線衍射儀精確測量普朗克常量的有效方法.

5 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)用X射線衍射儀通過測量不同電壓下X射線連續(xù)譜的最短波長，利用Duane-Hunt關(guān)系測算普朗克常量.考慮到因儀器結(jié)構(gòu)和所用透明單晶樣品對譜線的展寬效應(yīng)使不同電壓對應(yīng)的最短波長測量值減小，用衍射方法得到該儀器相同實(shí)驗(yàn)條件下的譜峰展寬值，然后對實(shí)驗(yàn)測量的各最短波長進(jìn)行修正.結(jié)果表明最短波長修正后得到的普朗克常量與理論值基本一致.因此，用測量X射線截止波長的方法測量普朗克常量時(shí)，應(yīng)考慮實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)條件所產(chǎn)生的譜線展寬效應(yīng)并對其加以修正.

［1］ 汪志剛，施壽生.光電效應(yīng)法測定普朗克常數(shù)實(shí)驗(yàn)的幾個(gè)問題［J］.樂山師范學(xué)院學(xué)報(bào)［J］.2004，19（12）：36-38.

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［7］ 黃勇.測量普朗克常量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2011，31（3）：25-28.

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［責(zé)任編輯：任德香］

Measuring Planck constant by X-ray diffraction

WANG He-ying，SUN Wen-bo
（Department of Physics，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

The cause of the measurement error and the improved approach for measuring the Planck constant by X-ray diffraction were discussed.The measured minimum wavelength in the X-ray spectra decreased with the rising voltage applied on the X-ray tube，because of the broadening of the X-ray lines due to the apparatus structure and the transparent single crystal sample used for diffraction，so that the value of the measured minimum wavelength should be revised before calculating the Planck constant.The results showed that the value of the Planck constant calculated using the revised data was consistent with the theoretical value.

Planck constant；X-ray diffraction apparatus；line broadening

O431

A

1005-4642（2014）10-0004-04

“第8屆全國高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會”論文

2014-05-16；修改日期：2014-06-27

王合英（1965－），女，山東單縣人，清華大學(xué)物理系副教授，博士，主要從事近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作.