微波干涉、衍射.ppt

微波干涉與布拉格衍射 理學院物理實驗中心 實驗及應用背景介紹實驗目的和教學要求實驗原理實驗儀器和裝置實驗內容及數(shù)據(jù)處理要求注意事項課堂思考選做實驗和有待深入研究的課題實驗后思考題 實驗及應用背景介紹 1913年 英國物理學家布拉格父子在研究X射線在晶面上的反射時 推導出著名的布拉格公式 2dsin k本實驗用波長3 2cm的微波代替X射線 觀察它照射到晶體模型 立方晶系 時的衍射現(xiàn)象 用來模擬X射線在晶體上的布拉格衍射 驗證布拉格公式 實驗目的和教學要求 1 了解微波特點及其布拉格衍射原理與應用 2 驗證布拉格公式 認識微波的光學性質 測定微波波長 測量微波布拉格衍射強度分布 3 通過本實驗了解利用布拉格衍射分析晶體結構的方法 實驗原理 晶體結構 幾個概念 晶體 晶格常數(shù)a 晶面以及相鄰晶面的間距為d 為了區(qū)分晶體中無限多族的平行晶面的方位 可用晶面指數(shù) 密勒指數(shù) 來描述 人們采用密勒指數(shù)標記法 晶面指數(shù)用表示 最重要也是最常用的有三種 100 面 110 面 111 面 利用密勒指數(shù)可以很方便地求得一族平行晶面間的間距 圖1簡立方晶體晶格結構圖2典型晶面 布拉格衍射 布拉格公式的解釋 研究衍射問題最關心的問題是衍射強度分布的極值位置 晶體對電磁波的衍射是三維的衍射 分為點間干涉和面間干涉 先找到晶面的點間干涉的零極主極大位置 這個二維點陣衍射的零極主極大方向應符合沿此方向所有衍射線間無光程差 也就是入射角等于衍 反 射角 圖3晶格的點間干涉 面間干涉晶體衍射的布拉格條件2dsin k k 1 2 3 如果按習慣使用入射角表示 布拉格條寫為2dcos k k 1 2 3 只要測得衍射極大的方向角 或 并且知波長 就可以從布拉格條件求出晶面間距d 而確定晶格常數(shù)a 圖4面間干涉 實驗儀器和裝置 微波分光儀 模擬晶體a 4cm的立方點陣 反射板兩塊 分束板等 圖5微波分光儀裝置圖1 固態(tài)微波振蕩器2 可變衰減器3 發(fā)射喇叭天線4 接受喇叭天線5 檢波器6 載物臺7 指針8 底座 實驗內容及數(shù)據(jù)處理要求 1 用k 1 2的 100 和 110 晶面驗證布拉格衍射公式 要先計算理論值 2 已知晶格常數(shù)a 4 00cm 利用k 1的 110 晶面測定波長 已知波長 利用k 1的 100 晶面測定晶格常數(shù) 3 對微波單縫實驗 選作 要求用坐標紙畫出衍射分布曲線 利用左 右兩側的第一個衍射極小位置和的平均值和公式 a sin 求出微波的波長 4 對微波邁克爾遜干涉實驗 應由B板的干涉極小時位置xn 列表作xn n的關系圖 求出微波波長 與理論值進行比較 注意事項 1 晶體中心與載物臺中心要一致 接收喇叭和發(fā)射喇叭要水平正對 下邊要水平 保證偏振化方向 保證接收微波強度最強 2 檢波器易壞 接收喇叭對發(fā)射喇叭時 保證入射角等于衍 反 射角 衍射強度最強處 微波強度不能超過微安表頭的滿量程 3 放上晶體架 使架下面的某一刻度線 與所選的晶面的法線一致 盤上的刻線重合 100 面的法線有刻線標志 其他面自己找 只要保證晶面的法線與度盤上的刻線重合即可 便于保證入射角等于衍 反 射角 4 信號源輸出不穩(wěn)定 也影響衍射強度的分布 5 各實驗小組會相互干擾 也影響衍射強度的分布 最好錯開 6 因單逢本身對稱性不好 所以采用對稱測量求平均的辦法求 7 單縫衍射裝置的一側 貼有微波吸收材料 用以減弱衍射波在微波接受器和單縫裝置的金屬表面發(fā)生多次反射而影響零級極大衍射強度峰的峰形 所以放置時要注意 另外要注意使用衰減器調節(jié)靈敏度 保證測角準確 8 晶體固態(tài)振蕩器的開啟見書 課堂思考 晶體的布拉格衍射與多縫光柵有什么區(qū)別 什么叫做點間干涉 什么叫做面間干涉 布拉格衍射的衍射極大位置與它們有什么關系 布拉格衍射為什么要讓入射角 反射角 在實驗中是怎樣來保證的 為什么說當入射波的方向及波長固定 晶體的取向也固定時 不同取向的晶面不能同時滿足布拉格條件 甚至沒有一族晶面能夠滿足布拉格條件 本實驗中用什么辦法來測得晶格的衍射極大位置 晶體的晶面是怎樣定義的 由此對立方晶體 110 和 111 晶面作出解釋 導出在 110 晶面和 111 晶面的布拉格條件中d 選做實驗和有待深入研究的課題 結合學過的物理知識 利用本實驗提供